Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки
Викладено результати фізичного моделювання процесу вдавлювання спецпрофілю з підкладкою в піддатливе середовище. The results of physical modeling of the process indentation of special profile with pillow in pliable environment are stated....
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Геотехническая механика |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2010
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33534 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки / А.В. Агафонов, М.В. Головин, В.Н. Сергиенко, В.Н. Трипольский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 65-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859943184703946752 |
|---|---|
| author | Агафонов, А.В. Головин, М.В. Сергиенко, В.Н. Трипольский, В.Н. |
| author_facet | Агафонов, А.В. Головин, М.В. Сергиенко, В.Н. Трипольский, В.Н. |
| citation_txt | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки / А.В. Агафонов, М.В. Головин, В.Н. Сергиенко, В.Н. Трипольский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 65-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Геотехническая механика |
| description | Викладено результати фізичного моделювання процесу вдавлювання спецпрофілю з підкладкою в піддатливе середовище.
The results of physical modeling of the process indentation of special profile with pillow in pliable environment are stated.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:12:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
Выпуск № 91 65
УДК 519.713
А.В. Агафонов, д-р техн. наук,
М.В. Головин, начальник отдела
(ЗАО "Донецксталь - металлургический завод"),
В.Н. Сергиенко, канд. техн. наук,
В.Н. Трипольский, главный технолог
(ИГТМ НАН Украины)
ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВДАВЛИВАНИЯ
СТОЙКИ КРЕПИ В ПОЧВУ ВЫРАБОТКИ
Викладено результати фізичного моделювання процесу вдавлювання спецпрофілю з під-
кладкою в піддатливе середовище.
PHYSICAL MODELING ОF INDENTATION OF UPRIGHTS
OF LININGS IN GROUND OF THE EXCAVATION
The results of physical modeling of the process indentation of special profile with pillow in pli-
able environment are stated.
Как показали результаты шахтных наблюдений, одной из основных причин
быстрого уменьшения поперечного сечения подготовительной выработки в ус-
ловиях высокого горного давления является вдавливание стоек рамной крепи в
почву.
Одним из методов повышения сопротивления вдавливания стоек является
установка на их основание специальных подпятников. Существующие конст-
рукции подпятников предусматривают их жесткую установку на стойки рам в
цеховых условиях и транспортировку неразборной конструкции по шахте к
месту крепления выработки. Такая схема характеризуется следующими недос-
татками:
- неудобство транспортировки пакета рам;
- невозможность оперативной адаптации к местным горно-геологическим
условиям.
Предложена установка дополнительных элементов на нижнюю часть стоек
рам непосредственно при монтаже крепи. К указанным элементам предъявля-
ются следующие требования:
- простота изготовления, позволяющая производить их крупными партиями
непосредственно на территории поверхностного шахтного комплекса;
- малые габариты и вес;
- невысокая стоимость;
- простота установки на раму.
Для обоснования выбора геометрии и размеров устанавливаемых элементов
в лабораторных условиях был выполнен эксперимент по вдавливанию спец-
профиля СВП-27 с дополнительными элементами в виде подкладок различной
конструкции в податливую среду. В качестве такой среды служила отвердевшая
в течение одних суток водно-алебастровая смесь. Испытательный стенд смон-
тирован на базе пресса П-500. Его конструкция схематически представлена на
рис. 1.
66 "Геотехническая механика"
1 – верхняя плита пресса, 2 – верхняя прокладка, 3 – отрезок СВП-27,
4 – труба, 5 – исследуемая подкладка, 6 – имитатор породного слоя,
7 – нижняя прокладка, 8 – нижняя плита пресса, 9 – линейка, 10 – манометр
Рис. 1 – Конструкция стенда для моделирования процесса вдавливания
стоек крепи в почву выработки
При разработке методики выполнения эксперимента учтены результаты
аналогичных исследований [1-7]. Создание объемного сжатия среды под вдав-
ливаемым штампом обеспечивается путем ее помещения в толстостенную
стальную трубу, выполненную без вырезов. Контроль положения вдавливаемо-
го отрезка спецпрофиля производили, фиксируя текущее положение его верх-
ней границы относительно линейки, которая жестко связана с нижней плитой
пресса. Процесс вдавливания фиксировали с помощью периодического фото-
графирования стенда цифровым фотоаппаратом с высокой разрешающей спо-
собностью – 12,1 Мпс. При компьютерной обработке последовательной серии
фотоснимков определяли смещение верхнего края отрезка спецпрофиля отно-
сительно неподвижной части стенда, и, следовательно, величину вдавливания.
Для одновременной регистрации усилия вдавливания на стенде был установлен
Н
аг
3
5
6
7
8
4
9
10
Выпуск № 91 67
дополнительный прецизионный манометр (класс 0,4), подключенный к гидро-
системе пресса. Для учета силы трения поршня в цилиндре пресса предвари-
тельно выполнялась тарировка манометра с использованием образцового ди-
намометра.
Основные сведения о подкладках в моделях представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Конструкция и размеры подкладок под основание спецпрофиля СВП-27
Размеры
подкладки №
варианта толщина,
мм
площадь
сечения, см2
Особенности
конструкции
1 - 34,37 Базовый вариант. Прокладка отсутствует.
2 10,0+12,0 113,04
Основанием конструкции являются две пластины из
конвейерной резины.
3 - 34,37
Деревянный клинообразной формы брус расположен в
спецпрофиле. Соединение спецпрофиля и бруса вы-
полнено при помощи хомута.
4 45,0 176,9 Основанием конструкции являются пластина из дерева.
5 5,0 204,0 Основанием конструкции является швеллер.
После выполнения компьютерной обработки снимков для каждого из вари-
антов построены графические зависимости усилия вдавливания от глубины
проникновения штампа в отвердевший алебастровый слой, примерно соответ-
ствующий по своим физико-механическим свойствам водонасыщенному алев-
ролиту. Указанная зависимость для базового варианта иллюстрируется рис. 2.
Рис. 2 – Диаграмма вдавливания базового варианта модели
Глубина вдавливания h, см
У
с
и
л
и
е
в
д
а
в
л
и
в
а
н
и
я
F
, к
Н
250
0
Fб
200
150
100
50
0
1 2 3 4 5 6
68 "Геотехническая механика"
Особенностью базового варианта является участок стабилизации сопротив-
ления вдавливанию. Величина сопротивления Fб на данном участке и является
основной оценочной характеристикой эффективности работы подкладки.
Испытания показали, что диаграммы вдавливания при использовании неме-
таллических подкладок имеют примерно такой же вид, как и для базовой моде-
ли, отличаясь числовыми значениями для участка стабилизации – Fст. Общей
особенностью данной группы моделей явилось также то, что усилие вдавлива-
ния было значительно меньшим необходимого для деформации отрезка спец-
профиля. После выполнения испытаний он оставался в первоначальном состоя-
нии и мог быть использован повторно. Отличия количественного характера
представлены в табл. 2.
Таблица 2 – Количественные показатели работы неметаллических
подкладок в сравнении с базовым вариантом
Номер
варианта
Конструкция
и материал
подкладки
Усилие вдавливания
Fст на участке
стабилизации
Отношение
Fст / Fб
2 два круга из конвейерной ленты 320 1,42
3 деревянный клин 180 0,80
4 пиломатериал (d = 50 мм) 110 0,49
При использовании в качестве подкладки конвейерной резины происходит
ее продавливание без появления трещин, в то время как деревянная подкладка
разрушается и перестает быть цельной конструкцией (рис. 3).
Рис. 3 – Разрушение различных подкладок в процессе испытаний
а) – конвейерная резина б) – дерево
Выпуск № 91 69
Испытания показали неэффективность использования деревянных подкла-
док, поскольку усилие вдавливание в дерево оказалось ниже, чем в породу.
Металлическая подкладка в виде отрезка швеллера оказалась достаточно
жесткой и в процессе испытаний спецпрофиль деформировался (рис. 4).
Рис. 4 – Вид модели № 5 после выполнения испытаний
Диаграмма вдавливания при использовании жесткой металлической под-
кладки также имеет свои особенности. Помимо большого сопротивления вдав-
ливанию не был достигнут участок стабилизации (рис. 5).
Рис. 5 – Диаграмма вдавливания модели № 5
Глубина вдавливания h, см
У
с
и
л
и
е
в
д
а
в
л
и
в
а
н
и
я
F
, к
Н
600
500
400
300
200
100
0
0 1,0 1,5 2,0 2,5
70 "Геотехническая механика"
Стабилизированная величина удельного давления отрезка спецпрофиля
СВП-27 на имитирующую породный массив гипсовую заливку имеет значение
65 МПа. Исходя из указанных данных, оценочный прогнозный расчет сопро-
тивления стойки из профиля СВП-33 (поперечное сечение 42,53 см2) составляет
порядка 270 кН. Соответственно, для двух стоек, входящих в комплект рамы,
сопротивление вдавливания в почву может составлять порядка 540 кН. Указан-
ная величина соизмерима с величиной сопротивления рамы при податливом
режиме работы. В реальной действительности происходит одновременный
процесс выбора податливости рамы и ее вдавливание в почву выработки.
При наличии податливой подкладки между стойкой и почвой диаграмма
деформирования также имеет участок стабилизации, соответствующий продав-
ливанию стойкой материала подкладки. Дальше возможны варианты. При дос-
таточно слабой породе после продавливания может наблюдаться снижение со-
противления, а при более прочной – увеличение.
Наличие продавливаемой подкладки имеет как недостатки, так и преимуще-
ства. К преимуществам следует отнести:
- простоту изготовления и установки под стойку;
- возможность использования отходов производства;
- отсутствие деформации стоек ввиду податливого характера их взаимодей-
ствия с системой «подкладка – массив».
Основным недостатком неметаллических подкладок при слабых породах
почвы является ограниченная величина диапазона эффективной работы, опре-
деляемая толщиной подкладки.
Использование металлических подкладок позволяет достичь высокого со-
противления при внедрении охранной конструкции в почву выработки. Однако
такие подкладки более сложны в изготовлении, дороже и склонны к выскаль-
зыванию из-под основания стойки.
Взаимодействие в системе «стойка – подкладка – почва» можно свести к
трем основным вариантам.
При первом варианте общее сопротивление вдавливания двух стоек меньше
рабочего сопротивления рамы. Уже при небольших нагрузках на крепь проис-
ходит быстрая потеря сечения за счет внедрения стоек в почву. С учетом кри-
волинейной формы рам процесс внедрения затормаживается и начинается вы-
бор конструктивной податливости арки. К моменту подхода лавы значительная
часть сечения уже потеряна, резервы податливости исчерпаны и в дальнейшем
рама работает в жестком режиме с сопутствующими деформациями кручения и
изгиба.
Второй вариант – общее сопротивление двух стоек при вдавливании в почву
выше предельной несущей способности рамы. В этом случае подкладку в пер-
вом приближении можно считать идеально жесткой. Этот вариант предпочти-
тельней первого, поскольку начало процесса уменьшения сечения происходит
при более значительных нагрузках на раму. Однако, после выбора конструк-
тивной податливости, которая может быть небольшой, дальнейшая потеря се-
чения происходит с изменением формы рам.
Выпуск № 91 71
При третьем варианте общее сопротивление двух стоек рамной крепи при
вдавливании в почву несколько больше рабочего сопротивления рамы, но су-
щественно меньше предельной несущей способности. Уменьшение сечения
подготовительной выработки, как и во втором варианте, происходит первона-
чально за счет выбора податливости соединений звеньев рамы. После этого на-
чинается процесс вдавливания стоек в почву, который в определенном диапа-
зоне деформаций позволяет сохранить форму рамы и восстановить сечение вы-
работки путем подрывки почвы. Этот вариант, по нашему мнению, является
наиболее приемлемым.
Таким образом, одним из критериев выбора конструкции и размеров под-
кладки под основание стойки рамы является необходимая величина ее жестко-
сти, определяемая в свою очередь деформационно-силовыми характеристиками
рамной крепи и свойствами пород почвы.
Необходимую величину сопротивления вдавливанию каждой их двух под-
кладок при первой прикидочной оценке принимаем на 20% выше паспортного
значения сопротивления рам в податливом режиме. Результаты представлены в
табл. 3.
Таблица 3 – К выбору величины сопротивления вдавливания подкладок для
некоторых типов рамных крепей на базе спецпрофиля СВП-33
Тип
рамной
крепи
Проектное
сечение,
м
2
Рабочее
сопротивление,
кН
Предельная
несущая
способность, кН
Сопротивление
вдавливанию
на одну стойку, кН
КМП-А3 15,5 300 550 180
КМП-А3Р2 15,5 593 890 355
КШПУ-М 15,1 268 586 160
КВТ-2 16,2 392 607 235
В соответствии с данными исследований можно сделать предварительные
выводы, что для некоторых типов крепей нормальный режим их взаимодейст-
вия с почвой выработки не может быть реализован использованием податли-
вых подкладок и требуется применение более жестких конструкций, выполнен-
ных из металла.
Необходимо учитывать также влияние почвы на работу подкладки. При сла-
бой почве, когда требуется большая площадь опоры для создания достаточного
сопротивления вдавливанию, предпочтительными являются жесткие металли-
ческие подкладки. При более прочных породах почвы небольшая площадь ме-
таллической подкладки может обеспечить сопротивление вдавливанию, пре-
вышающее оптимальную величину. В то же время улучшаются условия работы
податливых прокладок, зажатых между жестким штампом и сравнительно же-
стким основанием, работающих на продавливание.
С учетом комплекса указанных условий построена ориентировочная матри-
72 "Геотехническая механика"
ца для определения категории средств по увеличению сопротивления вдавлива-
ния стоек рам в почву, которая представлена в табл. 4.
Таблица 4 – Матрица для определения типа подкладок с целью увеличения
сопротивления вдавливания стоек рамной крепи в почву
Породы почвы Тип крепи
описание категория КМП-А3 КМП-А3Р2 КШПУ-М КВТ-2
довольно
мягкие
VI, VIa жесткая жесткая жесткая жесткая
средние
по крепости
V, Va податливая жесткая податливая жесткая
Табл. 4 определяет область рационального использования податливых и же-
стких подкладок для рамной крепи подготовительных выработок для условий,
характерных для шахт Донбасса. Следует отметить, что чем слабее породы
почвы, тем более эффективным является использование подкладок. Для пород
категории IV и крепче они в большинстве случаев не нужны.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Шрейнер Л.А. Зоны пластической деформации и механизм разрушения пластичных горных пород при
вдавливании / Л.А.Шрейнер, О.П. Петрова // Вопросы деформации и разрушения горных пород при бурении. -
М.: ГОСИНТИ, 1961, с. 116—131.
2. Шрейнер Л.А. Методическое пособие по использованию результатов испытаний механических свойств
горных пород вдавливанием штампа / Л.А. Шрейнер и др. - М.: Недра, 1967. - 79 с.
3. Филимонов Н.М. К вопросу о развитии трещиноватости в горной породе при статическом вдавливании
штампа / Н.М. Филимонов, К.И. Вдовин, М.Р. Мавлютов // Горный журнал. – 1969. - № 1. - С. 19 - 37.
4. Вдовин К.И. Формы зон разрушения горной породы при вдавливании штампа с плоским основанием /
К.И. Вдовин, М.Р. Мавлютов, Н.М. Филимонов // Труды Уфимского нефтяного ин-та. - Уфа, 1969. – Вып. 7. -
С. 53 -74.
5. Барон Л.И. Контактная прочность горных пород / Л.И. Барон, Л.Б. Глатман - М.: Недра, 1966. – 184 с.
6. Ивлев Д.Д. О вдавливании индентора в идеальную жесткопластическую полосу / Д.Д. Ивлев, Л.А. Мак-
симова // Изв РАН, МТТ. – 2000. - № 3. – С. 131 -135.
7. Ревуженко А.Ф. К вопросу о плоском деформировании упрочняющихся -разупрочняющихся пластиче-
ских материалов / А.Ф. Ревуженко, Е.И. Шемякин // Прикл. механика и техническая физика. – 1977. - № 3. – С.
157 – 173.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-33534 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:12:29Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Агафонов, А.В. Головин, М.В. Сергиенко, В.Н. Трипольский, В.Н. 2012-05-28T16:02:09Z 2012-05-28T16:02:09Z 2010 Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки / А.В. Агафонов, М.В. Головин, В.Н. Сергиенко, В.Н. Трипольский // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2010. — Вип. 91. — С. 65-72. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33534 519.713 Викладено результати фізичного моделювання процесу вдавлювання спецпрофілю з підкладкою в піддатливе середовище. The results of physical modeling of the process indentation of special profile with pillow in pliable environment are stated. ru Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України Геотехническая механика Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки Physical modeling оf indentation of uprights of linings in ground of the excavation Article published earlier |
| spellingShingle | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки Агафонов, А.В. Головин, М.В. Сергиенко, В.Н. Трипольский, В.Н. |
| title | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| title_alt | Physical modeling оf indentation of uprights of linings in ground of the excavation |
| title_full | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| title_fullStr | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| title_full_unstemmed | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| title_short | Физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| title_sort | физическое моделирование вдавливания стойки крепи в почву выработки |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/33534 |
| work_keys_str_mv | AT agafonovav fizičeskoemodelirovanievdavlivaniâstoikikrepivpočvuvyrabotki AT golovinmv fizičeskoemodelirovanievdavlivaniâstoikikrepivpočvuvyrabotki AT sergienkovn fizičeskoemodelirovanievdavlivaniâstoikikrepivpočvuvyrabotki AT tripolʹskiivn fizičeskoemodelirovanievdavlivaniâstoikikrepivpočvuvyrabotki AT agafonovav physicalmodelingofindentationofuprightsofliningsingroundoftheexcavation AT golovinmv physicalmodelingofindentationofuprightsofliningsingroundoftheexcavation AT sergienkovn physicalmodelingofindentationofuprightsofliningsingroundoftheexcavation AT tripolʹskiivn physicalmodelingofindentationofuprightsofliningsingroundoftheexcavation |