Способ крепления горной выработки

-1 я+ а 1 9 Ь - к )2, 12 З 2 й пп = - ( - +цЬ к 12 йсж 4- в повернутыхгде: х, у - коордиобычной и повеординат, м; а, Ьвыработки в обудвоенная высот.вернутых на 900систем точек ко х на 90 ирина и коэффициенА - коэффицЛ - ;ц - велиР 2Рвдавления,Мтериала крещина крепи1 и. ф-лы, 4 нт боков аспора поро Пд; Йсж - прпи на сжати В ПЯТОВЫХ С ил. дел прочности ма МПа; Ьл, Ьз - тол ениях и замке, м приа 6 пособ крепления ающий возведен тона постоянной м данного спосо ериала на крепл горной пролению вырабетоном, сно-армирогорнойе крепи Относитс менно к к олитьымили дис бетоном. Изобретение мышленности, а и боток мон набрызгбетоном ванным набрызг Известен с работки, включ монолитного б Недостатко перерасход ма(21) 4889234/03 (22) 24,10,90 (46) 07.01.93. Бюл, М 1 (71) Московский горный институт и Всесоюзный научно-исследовательский институт организации и механизации шахтного строительства (72) А,Н.Воробьев, И,Г.Косков, Б,П.Друцко, М.Д.Чорнокозинский, И.Г.Рыбалкин и В.П, Голощапов (56) Баклашов И.ВТимофеев О,В. Конструкции и расчет крепей и обделок, М,; Недра, 1979, с. 49, рис. 3.9 б,Там же, с 49, рис, 3 9 г, (54) СПОСОБ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ (57) Использование: в горной промышленности, а именно, при креплении выработок набрызгбетоном или дисперсно-армированным набрызгбетоном, Сущность изобре- тения: повышение несщей способности и. снижение материалоемкости крепи. Ее очертание выполнено в виде усеченного на уровне почвы эллипса или повернутых на 90 пересекающихся усеченных эллипсов, Очертание крепи и ее толщина в поперечном сечении определяются следующими выражениями; у= Ь --+ - - - + уЬ 1 Я к 2 .рЦ 1 УЬ 2 16 на 90 ах координатнаты нтура крепи в рнуты системах ко - ш высота крепи ычной системе координат, а и половина ширины в по- системах координат,м; каопорциональности (1 = -Ь ина вертикального горногоБлижайшим по технической сущности и достигаемому результату к предложенному способу крепления горной выработки является способ крепления горной выработки, включающий возведение крепи сводчатого 5 очертания из монолитного бетона снизу вверх с плавным изменением толщины от пят к замку в зависимости от горногеологических условий в месте заложения выработУ=4 )ф2) а/Ь=К ) 21 ринимают в виде поверн екающихся усеченных на ипсов в повернутых н оординат с началом коор ечении крепи; ртание крепи 90 переочвы эл исте мах амковом утых на уровнеа 90динат ь ки.10Недостатками этого способа являютсяперерасход материала на крепление и малая его надежность в сложных горногеологических условиях при неравномерном 15горном давлении,Целью изобретения является уменьшение материалоемкости крепления и повышение его надежности,Указанная цель достигается тем, что в 20способе крепления горной выработки,включающем возведении крепи сводчатогоочертания из монолитного бетона снизувверх с плавным изменением толщины отпят к замку в зависимости от горногеологических условий в месте заложения выработки, очертание крепи принимают в видеусеченного на уровне почвы эллипса илиповернутых на 90 пересекающихся усеченных на уровне почвы эллипсов, а толщину 30крепи изменяют по закону изменения возникающей в поперечных сечениях продольной силы, при этом очертание крепи,выраженное функцией в декартовой системе координат и ее толщину в пятовых и 35замковом сечениях определяют из следующих выражений:1) а/Ь = К 2/7 - очертание крепипринимают в виде усеченного на уровне почвы эллипса в системе координат с началом 40координат у левой пяти крепи:+даг 9 Ь с где у, х - координаты точек контура а, Ь - ширина и высотакоординат с началом коордты крепи, удвоенная высотарины крепи в повернутых нкоординат с началом коордисечении крепи,м;1 - коэффициент пропорциональности (1 = а/Ь);Л- коэффициент бокового распора пород Л= Р 2/Рв,ц - величина вертикального горного давления, МПа;Всж - предел прочности материала крепи на сжатие, МПа;йп, Ьз - толщина крепи в пятах и замке сечения выработки,м.В результате патентного поиска установлено, что отличительные признаки данного технического решения отвечают критериям "новизна" и "существенные отличия".На фиг. 1 показано очертание виде усеченного на уровне почвына фиг, 2 - то же в виде повернуть пересекающихся усеченных эллипс зующих сечение шатрового типа; н 4 показаны соответствующие поп сечения крепи,Способ осуществляется следующим обкрепи в системе инат у левой пяи половина шиа 90 системах нат в замковом крепи в эллипса; х на 90 ов, обраа фиг,3, еречные разом.Основные технологические операциисоответствуют прототипу. Крепление по заявленному способу целесообразно выполнять безопалубочным способом набрызгбетонирование, В сочетании с гладким взрыванием набрызгбетонирование обеспечивает реальное снижение материалоемкости крепи за счет лучшей выдержки ее параметров. К этому добавляются традиционные достоинства набразгбетонирования: технологичность крепления и повышенная скорость, лучшие качества возводимой крепи,В предлагаемом способе очертвозводимой крепи приближено к р ание ациоУ Выделив полные квадраты относительно х и у и произведя дополнительные преобразования, уравнение(1) можн о привести к каноническому виду+Уравнение (2) соответствует уравнению эллипса с началом координат, смещенным относительно центра по оси Х в отрицательную сторону на величину а/2, по оси У - в нальному(безмоментному), т,е, крепь в процессе эксплуатации будет работать преимущественно на сжатие. Этим самым значительно повышается ее несущая способность, т,к. бетон прекрасно работает на сжатие и очень плохо на изгиб. Очертание крепи назначается в соответствии с горно- геологическими условиями в месте заложения выработки, которые характеризуются параметром Л - коэффициентом бокового распора пород и геометрическими параметрами возводимой крепи а и Ь (фиг. 1, 2). Для уменьшения материалоемкости крепления толщину крепи при ее возведении изменяют по закону изменения возникающей в поперечных сечениях в процессе эксплуатации крепи продольной силы, т.к. изгибающий момент тождественно равен нулю. В этом случае получается крепь равного сопротивления, т.е. в каждом сечении напряжения одинаковые, При этом в учетом правильного выбора очертания возводимой крепи и еетолщин в соответствии со способом получаем 30% экономию бетона.Расчетные формулы получены следующим образом.Считаем известными проектные ширину крепи выработки а и высоту Ь, которые назначаются из условий эксплуатации выработки в соответствии с требованиями правил ТБ (фиг. 1), В общем случае крепь нагружена вертикальным давлением ць = ц и горизонтальным ц 2 = Л цЬ, связанным между собой через коэффициент бокового раСпОра псрад Л = Р 2/Р, НайдЕм ОчЕртание безмоментной крепи в обычной системе координат ХУ (фиг. 1). Рассмотрим произвольную точку на крепи М (х, у). Составим сумму моментов всех сил горного давления относительно этой точки и приравняем ее нулюположительную сторону на величинуа 28 ЬЛ -(фиг, 1)Это имеет смысл, если5 2аО, или Ь, -- ,или, обозначая а/Ь = К, получим к 2 Л (3)Из (2) видно, что эллипс имеет оси, рав 10 ные- поосиУФ В=- по оси ХФА = Л (4) Из выражений (4) видно, чтоА=В /7 (5)Отношение осей эллипса в соответствии с (5) такое же, как, например, в книгеШирокова А,П. и Пислякова Б.Г. Расчет ивыбор крепи сопряжений горных выработок, изд, 2-е,перераб., и доп., М Недра,1988, с, 16, Отличие данного техническогорешения состоит в том, что при выборе сечения крепи заданными считаются ее размеры а и Ь, т.е, получаемый эллипс являетсяусеченным на уровне почвы (фиг. 1). Он может быть и полным в соответствии с (2) (фиг,1, дополнение пунктиром), однако такое сечение не является рациональным с точкизрения возведения и эксплуатации, Крометого, в указанном источнике рассмотренслучай Л( 1, При Л 1 по А,П.Широкову идр. эллипс поворачивается на 90. При этомполучаемое сечение также не является рациональным с точки зрения возведения иэксплуатации выработки,Решая уравнение (2) относительно у,получим402 а( , р)(б) Уравнение (6) соответствует условию (3), т.е,2 ЮКогда условие (3) не выполняется, зависимость (6) также не будет иметь места,Для данного случая оси Х и У меняются местами, или, по-другому, - система координат поворачивается на 90 (фиг, 2).При сохранении определения коэффициента бокового распора пород, как Л =Р 2/Рв и тех же подходов в определении безмоментного очертания крепи, выражение (6) переходит в (7) посредством замены Л на 1/ Л, При этом под параметрами а и Ь+ гй, 14 ствии с выра) изображе)12 У толвно уменьшаии условия (8) ается (фиг. 4),иЯ( пла нен чив 4 ределению х сечениях ми схемами получим2 Дэтому в товых селавно изветствии сдля фиг. 2 координат. я местами,у = -0,1875 + 3 22 х и замк необходимо понимать удвоенную высоту и половину ширины крепи выработки (фиг, 2),Таким образом, в повернутых на 90 системах координат уравнение очертания безмоментной крепи можно записать так: 5 Условие (3) заменяется на следующее 10с21/Й (8)Соответствующее данному условию очертание крепи определяет сечение шатрового типа с острой точкой наверху(фиг. 2),Это сечение крепи выработки имеет, со ответственно, ширину 2 Ь и высоту а/2, В сложных условиях, где возможно получение пород или породы малоустойчиьы, целесообразно сечение не усекать (фиг, 2, дополнение пунктиром), 20Толщина крепи выработки получена из условия восприятия ею сжимающих напряжений, т.к. в соответствии с вышеизложенным в ней отсутствуют изгибающие моменты, 25Расчетная формула для сплошной крепи имеет следующий вид а =.с,- ( ЯсжК(9)е а - нормальное напряжение в поперечх сечениях крепи, МПа;И - продольная сила в поперечных сечеях крепи, Мн/м;Ь - толщина крепи, м;Всж - предел прочности материала крена сжатие, МПа,При определении толщины крепи бум исходить из ее равнопрочности, т.е,инаковости напряжений во всех сеченияхи действующей заданной нагрузке, о, х о 40иг, 1,2),Считаем, кроме того, что крепь работаетпределе, т,е,Г= ЙсжИз (9) следуетЬ= К/ВсжВся задача сводится к оппродольной силы в поперечнькрепи в соответствии с расчетньна фиг, 1,2,Найдем продольную силу вчениях и замке, считая, что онаменяется от пят к замку.Вывод осуществляем в соофиг. 1, но он будет справедливв повернутых на 90 системахПри атом пяты и замок меняюта х заменяется 1/хПродольная сила в пятах А,Кп М(хо) За с(,+ ( - ) к9 яаьфсозЮ,; (11)до ДдЬМ= 8, щ д 1 Значения тригонометрических функций зпао и созао получим через тцао ., который равен производной У (О) в выражении (6).Опуская преобразования, выражение (11) можно записать таким образом:Ф Ь ,ф-,.д.Ип=иж,) 2 м В соответствии с (10) толщина крепиятах и замке1ЬЬ 1- - 9+ а+2 К б Для сечения крепи итмечено ранее,9Ь 1-д+ Сечения крепи в соотвежениями ее толщины по(13),ны на фиг. 3, 4,При выполнении условщина крепи от пят к замкуется (фиг, 3), а при выпал1 ) 2 1/уУ - плавно увелиПримеры расчета:1. Исходные данные:Ширина крепи выработко =08 МПа;Высота крепи выработкиА=0,5; йсж =18 МПа.РешениеПринимая а = 4,5 м, Ь = 31 = а/Ь = 1,5; 2 /Х= 1,41 ФВыполняется условие (3).ответствии с (6) 1,5 1 ба 2 112 1786272 Фиг. 1 Л - коэффициент бокового распора пород ( А = Р 2/Рв)о - величина вертикального горного давления, МПа; Ясж - предел прочности материала крепи на сжатие, МПа;Ь, пз - толщина крепи в пятах и замке сечения выработки, м.1786272 фиг 3 оставитель А.Воробьевехред М,Моргентал Коррек Редак ксимишине венно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,оиз Заказ 237 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5