Рамная усиленная крепь

(55 Е 21 О 11/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ал есущей способно ов и повышен з,п. ф-лы, 6 ил ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Авторское свидетельство СССРМ 1016522, кл. Е 21 О 11/14, 1983,Авторское свидетельство СССРМ 752017, кл. Е 21 О 11/14, 1980,(54) РАМНАЯ УСИЛЕННАЯ КРЕПЬ(57) Изобретение относится к горному делуи мЬжет быть использовано при креплениигорных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации, Цель изобретения -снижение материалоемкости и трудоемкостии возведения крепи за счет повышенияее равнопрочности и упрощения. элементаусиления, Для этого оснащают элемент двумя опорными вставками 9, которые устанавливают между прикрепленным посредством соединительных узлов к боковым стойкам верхняком 2 и отрезком спецпрофиля (СП) 4. Вставки 9 делят СП 4 на равные по длине части. К верхняку 2 СП 4 прикреплен с помощью скоб 5, планок 6 и натяжных гаек 7. Кромки СП 4 совмещены с участками нулевых изгибающих моментов в крепи. Между гайками 7 и планками 6 размещены оттарированные на усилие Й предварительного напряжения крепи разрезные пружинные шайбы 8. В процессе монтажа с помощью элемента усиленияпутем затяжки гаек 7 и сжатия пружинных шайб 8 в раме крепи создается предварительное напряже-; ние й .= ЗчУЯГ, где Ю - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2, см; й -з, расчетное сопротивление на изгиб материа верхняка, кг/см; - длина отрезка СП,г,см, которое приводит к образованию по всему периметру крепи разгружающих моменрамной крепи является значительная их неравнопрочность при работе в условиях не-. равномерных нагрузок со стороны массива горных пород, Это обусловлено тем, что эле менты конструкции крепи выполнены с оди 20 стержнями и их натяжения на уже установленной в выработке крепи, неравномер 50 ботки, невозможность применения ввыработках с электровозной контактной от Изобретение относится к горному делу и может быть использовано, при креплении горных выработок в процессе их сооружения и эксплуатации,Известны конструкции рамной крепи горных выработок. состоящие из верхняка, соединенного с боковыми стойками в виде арки, Рамы устанавливают в горных выработках на расстоянии 0,5-1,2 м одна от другой и перекрывают затяжкой,Недостатком известных конструкций наковым поперечным сечением, а при действии неравномерных нагрузок грузоне сущая способность крепи исчерпывается на одном участке с наибольшими действующими напряжениями, тогда как остальная большая часть конструкции оказывается недогруженной. Следовательно, грузонесущая способность крепи предопределена работоспособностью лищь одного участка. что приводит к нерациональному расходу материала крепи на малозагруженных элементах крепи.Известна рамная крепь, включающая верхняк из прямолинейного элемента и арматурных стержней в виде щпренгелей. За счет натяжения шпренгелей создают предварительное натяжение верхняка,Недостатки этой крепи - сложность создания и дозировки предварительного напряжения верхняка, что требует проведения этих работ на поверхности, невозможность установки шпренгелей со ность натяжения различных ветвейнапрягающих элементов, Это снижает эффективность усиления, приводит к повышению расхода материалов. Известна также рамная арочная крель из спецпрофиля, верхняк которой усилен напрягающей стяжкой, состоящей из двух ветвей и закрепленной с помощью скоб по обе стороны верхняка.Недостатками этой конструкции являются сложность монтажа и осуществления предварительного напряжения крепи, загромождение поперечного сечения вырахаткой, высокая трудоемкость и недостаточная эффективность усиления крепи,ненадежность работы стяжки в условиях агрессивной и влажной среды,5 10 25 ЗО Наиболее близкой к предлагаемой является рамная крель из спецпрофиля, котораяснабжена элементом усиления, выполненным из отрезка желобчатого профиля, прикрепленного к верхняку винтовымиструбцинами, причем для создания предварительного напряжения на заданном участке крепи элемент усиления выполнен скривизной; отличной от кривизны усиливаемого участка,Недостатками такой конструкции крепиявляются техническая сложность точногопридания необходимой кривизны усиливающему элементу для обеспечения предварительного напряжения крепи, причемоказывается, что даже незначительная деформация верхняка в процессе его монтажаили эксплуатации крепи делает ггринципиально невозможным предугадать требуемую кривизну элемента усилия. Этозначительно снижает эффективность усиления крепи и увеличивает тем самым ее материалоемкость. Кроме того, такое усилиекрепи сложно по конструкции из-за большого числа деталей, входящих в элемент усилия, и трудоемко при монтаже,Целью изобретения является снижениематериалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления.Указанная цель достигается тем, что известная конструкция рамной усиленной.крепи, содержащая стойки и верхняк с прикрепленным к нему скобами предварительно напряженным элементом усиления,снабжена двумя опорными вставками, установленными между верхняком и элементомусиленйя, концы которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов крепи, Элемент усиления разделен по длинеопорными вставками на равные части и под-вергнут предварительному напряжению после монтажа рамы крепи, а его центрсмещен от оси крепи на угол, равный углупадеиия пород. Кроме того, с целью контроля предварительного напряжения крепискобы, прикрепляющие элемент усиления кверхняку, снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжные гайки на скобах и оттарированными наусилие предварительного напряжения крепи, которое определяют по формулеК =36/Югде ЧЧ - осевой момент сопротивления верхняка. см;В - расчетное сопротивление материала верхняка на изгиб, кг/см 2;- длина элемента усиления, см.1714150 10 15 20 25 й =ЗЮЯГ,И = ЗЮЙ 30 35 45 50 На фиг, 1 показана рамная усиленная крепь, общий вид; на фиг. 2 - узел 1 на фиг, 1; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг.4 - эпюра моментов от внешней нагрузки на крепь; на фиг. Ь - эпюра разгружающих моментов в крепи от предварительного напряжения элемента усиления; на фиг; 6 - суммарная результирующая эпюра моментов при эксплуатации крепи.Рамная усиленная крепь содержит стойки 1 и верхняк 2, прикрепленный к ним соединительным узлом 3. К верхняку 2 прикреплен элемент 4 усиления, выполненный в виде отрезка спецпрофиля с помощьюскоб 5, планок 6 и натяжных гаек 7. Между последними установлены разрезные пружинные шайбы 8, Верхняк 2 и элемент 4 усиления взаимодействуют друг с другом через размещенные между ними две опорные вставки 9, например, из стаяьной полосы, которые разделяют элемент 4 усиления по длине на три равные части. С помощью элемента 4 усиления рама крепи после ее установки в выработке предварительно напряжена усилием, Приложенным к скобам 5 и определяемым по формуле где Ю - осевой момент сопротивления сечение верхняка 2;Я - расчетное сопротивление материала верхняка 2 на изгиб;- длина элемента 4 усиления, Длина элемента 4 усиления равна рас. стоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, где он и установлен, В штреках центр элемента 4 усиления смещен от оси крепи на угол. равный углу падения а пород при их пологом залегании).Рамная усиленная крепь работает. следующим образом,В горной выработке устанавливают раму крепи, состоящую от стоек 1 и верхняка 2. На основании прогнозируемых параметров проявлений горного давления (интенсивность и направление действия внешней нагрузки о на крепь) определяют эпюру моментов, возникающих в раме крепи от давления горных пород, по к.оторой определяют расположение протяженности и степень загруженности наиболее напряженных элементов и участков крепи. В конструкции крепи имеется наиболее нагруженный участок крепи с максимальным моментом М и менее нагруженные участи сэкстремумами моментов М 2 и Мз другого знака, Несущая способность крепи зависит от действующих изгибающих моментов, так как роль нормальных и поперечных сил не превышает 5 - 10. Поэтому усиление рамной крепи преследует цель снижения изгибающих моментов и увеличение осевого момента сопротивления сечения элементов во всей или на части конструкции. Из эпюры моментов (фиг, 4) определяют место установки и требуемую длину элемента 4 усиления, равную расстоянию между участками крепи с нулевыми изгибающими моментами, возникающими при смене знака эпюры моментов вдоль крепи,Элемент 4 усиления требуемой длины с помощью скоб 5, планок 6 и гаек 7 прикрепляют к верхняку 2, разместив между ними две опорные вставки 9 так, чтобы элемент 4 усиления был разделен по длине на три равные части. С помощью натяжных гаек 7 и размещенных под ними разрезных пружинных шайб 8 создают предварительное напряжение во всей конструкции крепи. Пружинные шайбы оттарированы на усилие предварительного напряжения, определяемое по формуле где В/ - осевой момент сопротивления сечения верхняка 2; Я - расчетное сопротивление материалаеерхняка 2 на изгибе: 1 - длина элемента усиления. Затяжку гаек 7 производят до полногосжатия разрезных пружинных шайб 8, Увилиянапряжения И (фиг. 5) передаются на верхняк 2 через скобы 5 и опорные вставки 9. Это приводит из-за статической неопределенности конструкции крепи к образова 40 нию эпюры разгружающих моментов по всему ее периметру. Разгружающие моменты противоположны по знаку моментам от внешней нагрузки, возникающим при эксплуатации крепи, В результате наложения этих эпюр результирующие моменты значительно уменьшены, что позволяет увеличить несущую способность конструкции крепи и снизить ее материалоемкость,Благодаря установке между верхняком 2 и элементом 4 усиления опорных вставок 9 появляется воэможность усиливать крепь в процессе ее эксплуатации, даже в случае некоторой деформации верхняка 2, обеспечивая заданную величину и распределение 55 напрягающих усилий й и формируя строго определенную эпюру разгружающих моментов предварительного напряжения. Две опорные вставки 9 позволяют добиться наиболее оптимальной компенсации эпюры эксплуатационных моментов на участке установки элемента 4 усиления. Если устанавливать только одну вставку 9 между верхняком 2 и элементом 4 усиления, то зпюра разгружающих моментов формируется на этом участке в виде треугольника, что не соответствует близкой к параболической форме эпюре эксплуатационных моментов, а это снижает эффективность их компенсации, т,е. степень усиления крепи, Если установить больше двух опорных вставок 9 (три, четыре и т.д.), то распределение напрягающих усилий между опорными вставками 9 вдоль элемента 4 усиления становится неуправляемым из-эа статической неопределимости такой системы взаимодействия элемента 4 с верхняком 2 и оказывается зависимой от случайных факторов (различие в толщине опорных ставок 9, местных деформаций и искривлений верхняка 2 и усиливающего элемента 4 и т.д.). Поэтому некоторые опорные вставки 9 будут пережаты, а некоторое разгружены, что может совершенно исказить эпюру разгружающих моментов на участке усиления, а это снизит эффективность усилия крепи,Благодаря тому, что опорные вставки 9 делят элемент 4 усиления на три разные части, достигают наиболее полной компенсации на этом участке эпюры эксплуатационных моментов, имеющей форму, близкую к квадратичной параболе. Образующаяся эпюра раэгружающих моментов в виде правильной трапеции с соотношением оснований 3:3 наиболее полно способна компенсировать параболическую эпюру эксплуатационных моментов (смфиг. 4 и 5). Это значительно увеличивает эффективность усиления крепи, Любое другое размещение опорных вставок 9 менее благоприятно для компенсации эксплуатационных моментов и приводит к увеличению результирующей эпюры моментов,То, что концы элемента 4 усиления совмещены с ненагруженными участками эпюры эксплуатационных моментов, позволяет наиболее полно совместить с ней эпюру разгружающих моментов от предварительного напряжения. Это способствует более эффективному повышению несущей способности крепи. исключает появление участков крепи, где эксплуатационные моМенты будут усилены разгружающими, т.е, возникновение опасности перенапряжения и разрушения элементов крепи. Поскольку нагружение крепи в штрекообразных выработках происходит по нормали к напластованию пород, т.е, задано направление внешней нагрузки о в условиях отсутствия данных по прогноэируемым параметрам горного давления, при установ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ке элемента 4 усиления его центр следует сместить от вертикальной оси крепи На угол. равный углу падения пород. Длину элемента усиления в этом случае следует принять равной половине длины верхняка 2. Тем самым достигается усиление наиболее нагруженного участка рамной крепи, что способствует повышению ее несущег способности.Усилие Й предварительного напряжения определяется из условия создания в верхняке 2 предельного разгружающего момента на участке между опорными вставками 9, что дает верхнюю границу допустимого предварительного напряжения, исходя из прочности верхняка 2, Тем самыми на остальных участках крепи возникают максимальные разгружающие моменты, что способствует достижению максимальной эффективности усиления конструкции крепи в целом, В процессе загружения крепи горным давлением в элементе 4 усиления возникают пластические шарниры на участках установки опорных вставок 9, поэтому разгружающие моменты, достигая своего предельного значения, в дальнейшем при работе крепи остаются постоянными, а сам элемент 4, несмотря на наличйе пластических шарниров, сохраняет устойчивость благодаря тому, что нагружение со стороны скоб 5 силами й происходит в режиме, близком к жесткому, а сам элемент усиления закреплен в четырех точках.Если усилие предварительного напряжения создать в верхняке меньше й, то снизятся величины разгружающих моментов в крепи и не будет достигнута необходимая эфФективность усиления.Если усилие предварительного напряжения превышает К, то в верхняке материал переходит в пластическую. стадию деформирования, что затрудняет его дальнейшую эксплуатацию и повторное использование.Снабжение скоб 5 разрезными пружинными шайбами 8, оттарированными на заранее заданное усилие, исключает ошибки при предварительном напряжении крепи и заметно упрощает его контроль в процессе эксплуатации. Кроме того, разрезные пружинные шайбы 8 компенсируют неизбежные деформации ползучести скоб 5, постоянно растянутых усилиями й, что гарантирует постоянство предварительного напряжения во времени, Этому же способствует упругая деформация консоли элемента усиления на длине УЗ от скобы 5 до опорной вставки 9; Таким образом, предлагаемая крепь характеризуется надежностью сохранения заданного предварительного напряжения, простотой его конструктивного исполнения, монтажа и эксплуатации элемента усиления, что способствует высокой эффективности повышения работоспособности крепи.Предложенная конструкция рамной усиленной крепи проста в изготовлении.и 5 при установке, требует низких трудозатрат, характеризуется низкой материалоемкостью, Усиление крепи может производиться не только при ее возведении, но и в процессе ее эксплуатации, причем для усиления 10 пригодны и рамы крепи с деформированным верхняком. Грузонесущая способность крепи при этом повышается в 2-2,5 раза, а материалоемкость снижается в 1,5-2 раза, значительно повышается надежность и ра ботоспособность крепи, Экономическая эффективность достигается за счет экономии дефицитного металла, сокращения числа рам на единицу длины выработки в 1,5-2 раза, уменьшения трудозатрат на возведение кре- ШО пи в 2-2,5 раза и стоимости крепления выра-. ботки в 1,3-1,5 раза, снижения расходов на ремойт и перекрепления горных выработок, что в целом способствует улучшению технико-экономических показателей в шахтном и 25 подземном строительстве.Ф о р мул а и з обре те ни я1. Рамная усиленная крепь. включающая стойки и верхняк, к которому скобами30. присоединены элементы усиления из отрезков профиля, а также узлы соединения, о тл и ч а ю щ а я с я тем. что, с целью снижения материалоемкости и трудоемкости возведения крепи за счет повышения ее равнопрочности и упрощения элемента усиления, последний снабжен двумя опорными вставками, размещенными между верхняком и отрезком спецпрофиля, кромки которого совмещены с участками нулевых изгибающих моментов, возникающих в верхняке, при этом опорные вставки делят отрезок спецпрофиля на равные по длине части, а элемент усиления подвергнут предварительному напряжению, определяемому по формулей = ЗЮЙгде ЧЧ - осевой момент сопротивления сечения верхняка; см;Я - расчетное сопротивление на изгиб материала верхняка. кг/см 2;1 - длина отрезка спецпрофиля, см.2, Крепь по и. 1, о.т л и ч а ю щ а я с я тем, что скобы снабжены разрезными пружинными шайбами, установленными под натяжными гайками и оттарированными на усилие Й предварительного напряжения крепи.1714150 Фи. Л б Составитель В.ХанцевеТехред М.Моргентал рректор М,Демчик ктор А,отель аказ 672 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 45 зводственно-издательский комбинат "Патент",г. Ужгород, ул, Гагарина, 101