крепь для горных выработок

Формула изобретения

Крепь для горных выработок, включающая соединенные между собой полые верхняк и стойки с утолщениями на концах и узлами податливости с центральными клиньями и охватывающими их полыми элементами, выполненные из стеклопластика, отличающаяся тем, что центральные клинья узлов податливости снабжены установленными под ними парами верхнего и нижнего клиньев, сопряженных наклонными поверхностями по плоскости разъема, направленной с уклоном в одну из боковых сторон крепи, и зафиксированных клиновыми или коническими элементами, закрепленными на верхнем клине с опорой их нижней частью на боковую поверхность нижнего клина, а нижние части утолщений верхняка и торцы утолщений верхних донцов стоек сочленены между собой по цилиндрической поверхности с возможностью разворота стоек относительно верхняка в боковые стороны крепи, причем уклон плоскости разъема каждой пары клиньев к горизонту выполнен равным или большим уклона плоскости, касательной к поверхности сочленения утолщений верхняка и стоек в крайней верхней для стоек точке опоры, при этом полые элементы узлов податливости выполнены в виде сменных тонкостенных стеклопластиковых колец, калиброванных по разрушающей нагрузке, установленных с упором в утолщения нижних концов стоек, а утолщения верхняка снабжены боковыми упорными выступами для утолщений стоек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, в частности к креплению горизонтальных горных выработок при строительстве подземных сооружений различного назначения, работающих в условиях агрессивных сред.

Известна крепь для горных выработок, включающая металлический верхняк, сделанный из шахтного спецпрофиля, и две стойки, каждая из которых состоит из двух вставленных друг в друга металлических труб с фиксацией их между собой с помощью винтового зажима, обеспечивающего восприятие горной нагрузки до расчетной. При превышении последней под действием необратимых деформаций горного массива происходит перемещение одной части стойки внутрь другой и осуществление податливости крепи. Разборка крепи, в случае перекрепления в другое место или для ремонта, осуществляется ослаблением металлических зажимов и извлечением сначала стоек, а затем верхняка (Каретников В.И. Клейменов В. Б. Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М. Недра, 1989, с. 65).

Однако для ряда шахт и других подземных сооружений характерно наличие природных агрессивных сред, в условиях которых металлические крепи подвержены коррозии, которая приводит к необходимости постоянной замены элементов крепи, а также к снижению надежности эксплуатации крепи в расчетном режиме податливости, что ведет к дополнительным расходам на поддержание выработок и значительным трудовым затратам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа, предназначенная для работы в условиях агрессивных сред крепь для горных выработок, включающая выполненные полыми прямоугольного сечения стеклопластиковые верхняк с утолщениями и прорезями на концах, стойки с утолщениями на концах, вставленные верхними концами в прорези верхняка, и клинья с торцевыми прорезями во взаимно перпендикулярных направлениях, установленные верхними концами с прорезями внутрь нижних концов стоек (Авт. св. СССР N 1571254, кл. Е 21 Д 11/00, 1989).

Однако во время эксплуатации крепи возникает необходимость проведения ремонта ее элементов, их замены, а также повторного использования крепи в другом месте. В данной конструкции не предусмотрена возможность разгрузки стоек в тот момент, когда крепь еще находится под действием горного давления, что не обеспечивает надежную разборку элементов крепи для их замены или повторного использования.

Кроме того, под действием непреодолимых деформаций горных пород по мере внедрения клиньев в стойки происходит резкое возрастание сопротивления деформации клиньев в местах торцевых прорезей и их зажимание в стойках, что значительно осложняет разборку соединения клинья-стойки и повторное использование деформированных элементов крепи.

К недостаткам данной конструкции относится также перерезание волокон композиционного материала в местах прорезей верхняка и клиньев, что приводит в результате релаксации композиционного материала к ослаблению предварительно затянутой затяжками крепи и необходимости постоянно подтягивать конструкцию. Это не обеспечивает надежного создания начального распора крепи. Кроме того, данный недостаток ведет к непредсказуемому поведению пропиленных частей композита во время осуществления податливости крепи и усложнению теоретического расчета соединения клинья-стойки, что не позволяет обеспечить требуемый вид диаграммы деформирования крепи "усилие-перемещение". Все это снижает надежность эксплуатации крепи во время всего срока службы.

Основной задачей разработки является создание крепи для горных выработок такой конструкции, которая была бы лишена указанных недостатков, обеспечивала бы надежную эксплуатацию с предсказуемым поведением ее элементов. Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности.

Поставленные задача и цель изобретения достигаются путем видоизменения соединений стоек с верхняком и клиньями, а также введением дополнительных пар клиньев.

Для этого в крепи для горных выработок, включающей соединенные между собой полые верхняк и стойки с утолщениями на концах и узлами податливости с центральными клиньями и охватывающими их полыми элементами, выполненные из стеклопластика, центральные клинья узлов податливости снабжены установленными под ними парами верхнего и нижнего клиньев, сопряженных наклонными поверхностями по плоскости разъема, направленной с уклоном в одну из боковых сторон крепи, и зафиксированных клиновыми или коническими элементами, закрепленными на верхнем клине с опорой их нижней частью на боковую поверхность нижнего клина, а нижние части утолщений верхняка и торцы верхних концов стоек сочленены между собой по цилиндрической поверхности с возможностью разворота стоек относительно верхняка в боковые стороны крепи, причем уклон плоскости разъема каждой пары клиньев к горизонту выполнен равным или большим уклона плоскости, касательной к поверхности сочленения утолщений верхняка и стоек в крайней верхней для стоек точке опоры, при этом полые элементы узлов податливости выполнены в виде сменных тонкостенных стеклопластиковых колец, калиброванных по разрушающей нагрузке, установленных с упором в утолщения нижних концов стоек, а утолщения верхняка снабжены боковыми упорными выступами для утолщений стоек.

Отличительными особенностями крепи для горных выработок являются следующие признаки:

наличие пар верхнего и нижнего клиньев,

установленных под центральными клиньями узлов податливости,

сопряженных наклонными поверхностями по плоскости разъема, направленной с уклоном в одну из боковых сторон крепи,

зафиксированных клиновыми или коническими элементами, закрепленными на верхнем клине с опорой их нижней частью на боковую поверхность нижнего клина,

сочленение нижних частей утолщений верхняка и торцов утолщений верхних концов стоек по цилиндрической поверхности с возможностью разворота стоек относительно верхняка в боковые стороны крепи,

выполнение уклона плоскости разъема каждой пары клиньев к горизонту равным или большим уклона плоскости, касательной к поверхности сочленения утолщений верхняка и стоек в крайней верхней для стоек точке опоры,

выполнение полых элементов податливости в виде сменных тонкостенных стеклопластиковых колец, калиброванных по разрушающей нагрузке,

установленных с упором в утолщения нижних концов стоек,

наличие у утолщений верхняка боковых упорных выступов для утолщений стоек.

Указанные отличительные признаки являются существенными, так как каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового положительного эффекта в соответствии с целью изобретения. Так, невведение пары верхнего и нижнего клиньев или невыполнение уклона плоскости разъема каждой пары клиньев к горизонту равным или большим уклона плоскости, касательной к поверхности сочленения утолщений верхняка и стоек в крайней верхней для стоек точке опоры, не исключает заклинивания во время поворота стоек относительно верхняка при разборке элементов крепи для ремонта или перекрепления, что снижает надежность ее эксплуатации во время всего срока службы. А то, что утолщения стоек оперты на выполненные без прорезей, в отличие от прототипа, цилиндрические части утолщений верхняка с боковыми упорными выступами и сменные тонкостенные кольца узлов податливости, обеспечивает надежный устойчивый начальный распер крепи и предварительно рассчитанный вид диаграммы ее деформирования. Также, фиксация пар верхнего и нижнего клиньев клиновыми или коническими элементами, закрепленными на верхнем клине с опорой их нижней частью на боковую поверхность нижнего клина, исключает перемещение верхнего клина под нагрузкой в сторону уклона плоскости разъема, что повышает надежность распора крепи и обеспечивает в то же время надежную разборку крепи для ее ремонта или перекрепления. Кроме того, выполнение колец узла податливости разрушаемыми при надвигании на центральные клинья позволяет обеспечить податливость при постоянной нагрузке, а также быстро разбирать, в отличие от прототипа, соединение кольца-центральные клинья.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, не позволило выявить в них существенные признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Новизна".

Единая совокупность нового с общими известными существенными признаками по предложенному техническому решению позволяет решить поставленную задачу, достичь новый положительный эффект и характеризуется по сравнению с известным уровнем техники, аналогами и прототипом существенными отличиями. Новое техническое решение получено при проведении исследовательской работы без использования справочно-нормативных рекомендаций, не носит характер проектировочных стандартных решений, является результатом творческого вклада и характеризуется соответствием критерию "Изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид крепи в поперечном разрезе по выработке; на фиг.2 узел I на фиг.1 (продольное сечение); на фиг. 3 сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 узел II на фиг. 1; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.1 по узлу податливости в направлении пары клиньев.

Крепь для горных выработок включает соединенные между собой полые верхняк 1 и стойки 2, 3 с утолщениями на концах и узлами податливости с центральными клиньями 4 и охватывающими их полыми элементами 5, выполненные из стеклопластика. Центральные клинья 4 узлов податливости дополнительно снабжены установленными под ними парами верхнего 6 и нижнего 7 клиньев, сопряженных наклонными поверхностями 8, 9 по плоскости разъема 10, направленной с уклоном (угол ₁ ) в одну из боковых сторон крепи Е, и зафиксированными клиновыми или коническими элементами 11, закрепленными на верхнем клине 6 с опорой их нижней частью 12 на боковую поверхность 13 нижнего клина 7, а нижние части утолщений 14 верхняка 1 и торцы утолщений 15 верхних концов стоек 2, 3 сочленены между собой для обеспечения устойчивого соединения по цилиндрической поверхности 16 с возможностью разворота К стоек 2, 3 относительно верхняка 1 в боковые стороны крепи. При этом для осуществления разворота К уклон плоскости разъема 10 каждой пары клиньев 6, 7 к горизонту (угол ₁) выполнен равным или большим уклона плоскости 17, касательной к поверхности 16 сочленения утолщений 14, 15 верхняка 1 и стоек 2, 3 в крайней верхней для стоек 2, 3 точке опоры Р (угол ₂). Кроме того, полые элементы 5 узлов податливости выполнены в виде сменных тонкостенных стеклопластиковых колец, калиброванных по разрушающей нагрузке, установленных с упором в утолщения 18 нижних концов стоек 2, 3, а утолщения 14 верхняка 1 снабжены боковыми упорными выступами 19 для утолщений 15 стоек 2, 3, обеспечивающими надежный упор последних без перерезания, как в прототипе структуры композиционного материала утолщений 14 верхняка 1. Кольца 5 нижней частью 20 оперты на коническую часть 21 центральных клиньев 4.

В выработке крепь установлена с затяжками 22 из композиционного материала. Закрепное пространство 23 заполнено мелкой породой с последующим тампонажем цементно-песчаным раствором или бетоном.

Использование крепи для горных выработок заключается в следующем.

При эксплуатации крепи в случае проведения ее ремонта или перекрепления в другое место производят разгрузку конструкции от давления горных пород, не приводящего к критическим напряжениям в ее элементах и работе узла податливости. Для этого из проушин верхних клиньев 6 удаляют клиновые или конические элементы 11 и осуществляют благодаря этому начальное движение верхних клиньев 6 относительно нижних клиньев 7 по плоскости разъема 10 в направлении боковой стороны крепи Е благодаря низкому коэффициенту трения между сопрягаемыми стеклопластиковыми поверхностями 8, 9. Одновременно с этим, поддерживая от падения верхняк 1 с помощью временной стойки, выполняют поворот К торцов утолщений 15 верхних концов стоек 2, 3 относительно нижних частей утолщений 14 верхняка 1 по цилиндрической поверхности 16 и изымают из-под верхняка 1 стойки 2, 3 с узлами податливости и клиньями 6 благодаря выполнению уклона плоскостей разъема 10 каждой пары клиньев 6, 7 к горизонту (угол ₁) равным или большим уклона плоскости 17, касательной к поверхности сочленения утолщений 14, 15 верхняка 1 и стоек 2, 3 в крайней верхней для стоек 2, 3 точке опоры Р (угол ₂). Только соблюдение условия ₁₂ не приведет к заклиниванию элементов крепи при осуществлении движения стоек 2, 3 с узлами податливости и клиньями 6 в боковую сторону крепи Е. Далее снимают верхняк 1, легко разбирают, в отличие от прототипа, узлы податливости, снимая сменные тонкостенные кольца 5, калиброванные по разрушающей нагрузке, вверх с центральных клиньев 4, а также вынимают верхние клинья 6 из отверстий клиньев 4.

Под влиянием горного давления во время эксплуатации крепи в ее элементах возникают напряжения. При достижении критических напряжений в верхняке 1 и стойках 2, 3 происходит их смещение путем срабатывания узлов податливости до тех пор, пока нагрузка не станет меньше расчетной. При этом через верхняк 1 и далее стойки 2, 3 горная нагрузка приходит на сменные тонкостенные кольца 5, установленные с упором, с одной стороны, в утолщения 18 нижних концов стоек 2, 3, а с другой стороны, нижней частью 20 в коническую часть 21 центральных клиньев 4. Далее происходит последовательный разрыв кольцевых слоев 20 в нижней части колец 5 от их расширения при надвигании на коническую часть 21 клиньев 4, что позволяет обеспечить податливость крепи при постоянной критической нагрузке и предварительно рассчитанный вид диаграммы деформирования крепи "усилие-перемещение". Кроме того, выполнение кольцевых слоев 20 колец 5 разрушаемыми не приводит к заклиниванию, как в прототипе, соединения полые элементы 5 центральные клинья 4 при осуществлении податливости крепи, что позволяет легко разбирать это соединение для ремонта элементов крепи или ее перекрепления в другое место выработки. Надвигание колец 5 на центральные клинья 4 происходит до тех пор, пока нагрузка на крепь не уменьшится до расчетной. С последующим увеличением горного давления и нарастанием напряжения до предела сопротивления разрыву кольцевых слоев 20 в нижней части колец 5, контактирующих с конической частью 21 центральных клиньев 4, происходит разрыв очередных нижних кольцевых слоев 20, повторное надвигание колец 5 на клинья 4 и осуществление податливости крепи. Новый положительный эффект для крепи проявляется в повышении надежности разборки ее элементов, осуществлении прогнозируемого поведения последних во время работы узла податливости, а также обеспечении надежного начального распора крепи. Все это ведет к повышению надежности эксплуатации крепи во время всего срока службы.

На основе технического решения был изготовлен опытный образец крепи для горных выработок. Верхняк 1, стойки 2, 3, а также центральные клинья 4, кольца 5 узлов податливости были изготовлены из стеклопластика на основе нити ВМПК 8-29х1x2-78 ТУ6-11-313-74 и ровинга марки РБН 10-1260-78 ГОСТ17139-79, пропитанных связующим ЭДТ-10 ОСТЗ-4759-80. Изготовление производилось на станке методом косослойной продольно-поперечной намотки с соотношением массы армирующего материала в осевом и кольцевом направлении 1: 1, обеспечивающим лучшие характеристики на изгиб и сжатие, чем при намотке стеклотканью. Причем верхняк 1, с точки зрения его работы на изгиб под горной нагрузкой, был намотан на вращающемся сердечнике прямоугольного сечения, а стойки 2, 3, центральные клинья 4 и кольца 5, так как они при осуществлении податливости крепи работают на устойчивость, изготовлялись на обычных цилиндрических оправках. Пара верхних и нижних клиньев 6, 7, а также клиновые элементы 11 были сделаны из стеклопластика на основе ткани Т13, пропитанной по ОСТЗ-4246-79, методом прессования. В данном конкретном случае при заданном критическом давлении на крепь 6 тс/м² толщина стоек 2, 3 и верхняка 1 составила 9 мм, внутренний диаметр стоек 2, 3 170 мм, а разрушаемые кольца 5 узлов податливости были выполнены толщиной 3 мм. Угол ₁ наклона к горизонтали плоскости разъема 10 пар верхнего и нижнего клиньев 6, 7 составил 12^o, а угол ₂ наклона плоскости 17, касательной к поверхности сочленения 16 верхняка 1 и стоек 2, 3 в крайней верхней для стоек 2, 3 точке опоры Р 10^o. Кроме того, сменные кольца 5 были изготовлены нескольких типоразмеров по толщине и откалиброваны по различной разрушающей нагрузке для замены вышедших из строя колец 5 при ремонте или переустановке крепи в разных местах горной выработки.

Опытный образец крепи для горных выработок, изготовленный на основе технического решения, на испытаниях показал положительные результаты. Данное техническое решение обеспечило надежный распор крепи, работу узла податливости при постоянной критической нагрузке и легкую разборку всех элементов крепи для их ремонта или повторного использования в других местах выработки.

Таким образом, новое техническое решение соответствует и критерию "Промышленная применимость", т.е. уровню изобретения, на его создание и использование необходимо обеспечить защиту исключительных прав патентом.