Конструкции сборных крепей состоят из большого числа элементов, которые за счет шарнирного соединения между собой в процессе работы обладают подвижностью. Крепь в целом может работать только при условии достаточного отпора со стороны боковых пород. Поскольку массив горных пород, вмещающий выработку, смещается со стороны кровли и боков неравномерно, то не исключены случаи, когда в процессе выполаживания участка крепи ряд смежных шарниров-узлов может выйти на одну прямую линию. Часть контура крепи при этом превращается в мгновенно изменяемую систему и конструкция теряет устойчивость. При проектировании сборной крепи необходима проверка конструкции на устойчивость - в этом состоит особенность расчета сборной крепи.
Проведенные исследования показывают, что устойчивость мборных многошарнирных крепей зависит в основном от двух факторов: допустимых перемещений шарниров в процессе деформации крепи и плотности (коэффициента постели) забутовки закрепного пространства. Допустиые перемещения шарниров или деформационная характеристика крепи зависят от геометрических размеров крепи и сборных элементов и характеризует способность конструкции изменять свою форму под действием горного давления без потери устойчивости.
Наибольший устойчивостью обладают блочные крепи с плоским примыканием сборных элементов. Такие крепи до потери устойчивости допускают перемещения со стороны кровли 120-240 мм. и со стороны боков 100-160 мм. в зависимости от величины сечения. Крепи удовлетворительно выдерживают нагрузку и при забутовке закрепного пространства рядовой породой, уложенной вручную.
Рисунок 1.
В результате выполненного исследования разработана методика расчета сборной крепи на устойчивость. Расчетная схема представлена на рис. 1 (выше).
Грузонесущая способность блочной крепи по условию сохранения устойчивости конструкции может быть определена по формуле
Формула 1.
где p - отпор забутовки, определяется из компрессионнной характеристики забутовочно материала; l - размер блоков (панелей) по внешней дуге; β, γ - угловые параметры крепи.
Формула 2.
Формула 3.
Формула 4.
Их значения могут быть надены из зависимости боковых перемещений контура крепи на допустимую величину где f и t - вертикальные и боковые пермещения крепи; R и R1 - соответственно радиус крепи в свету и вчерне; σ и R - суммарная толщина и коэффициент податливости прокладок; a1 и a2 - линейные параметры верхней и a, a1 и a2 - центральные углы секций крепи. боковой секций блоков.
Формула 5.
Формула 6.
Значения угла B в зависимостях (формула 2) и (формула 3) в процессе работы сборной крепи изменяется в пределах βo≤β≤90°. Поэтому при расчете допустимой на крепь нагрузки по формуле 1 углы β и γ должны быть приняты с учетом их соотвествия боковому перемещению крепи и на допустимую величину [t]≤0,5 tmax. Максимально возможные перемещения контура крепи имеют место при β=90°. Минимальное значение угла определяются по формуле
Формула 7.
Число блоков в секциях, необходимое для определения центральных углов секций a1, a и a2, находят по формуле
Формула 8.
где φ - центральный угол блока; d - толщика крепи.
Если число блоков по формуле 8 окажется нечетным, то их число в верхней и боковой секциях крепи составит
Формула 9.
Формула 10.
При четном числе блоков, наденном по формуле 8
Формула 11.
Зная число блоков в секциях m1 и m2 можно легко определить центральные углы секции
Формула 12.
Формула 13.
Формула 14.
Если нагрузка на крепь известна, то характеристика забутовки (коэффициент постели), необходимая для обеспечения нормальной работы крепи в устойчивом режиме, определяется по формуле
Формула 15.
где [t] - допустимые перемещения боковых шарниров крепи.
Пример. Определить допустимую нагрузку на блочную крепь по условию ее устойчивости, если радиус крепи R=2585 мм, толщина блоков d=300 мм, их размер по внешней дуге l=670мм. Толщина прокладов между блоками σ
=13 мм, коэффициент сжимаемости прокладок R=0,5. Забутовка крепи производится породой с кэффициентом постели R=1,5 кгс/м в кубе.
Решение 1. При заданных геометрических размерах центральный угол блока φ=14°38'.
2. По формуле 8 находим суммарное число блоко в верхней и боковой секциях крепи
Следовательно, число блоков в верхней и боковой секциях крепи согласно формуле 11 составим
3. По зависимостям формул 12-14 определяем центральные углы секций крепи
4. По формулам 5 и 6 определяем размеры верхней и боковой секции крепи
5. По формулам 2, 3 определяем максимально возможные перемещения контура крепи, приняв β=90°.
Приняв величину допустимых перемещений шарниров 60% от максимально возможных, получим
6. По формуле 7 определяем минимальное значение угла
7. Задаваясь в формулах 5 и 6 значениями угла β от 60° до 90°, определяем зависимость f и t от B. Результаты расчетов сведены в таблице 1 (ниже). Из таблицы находим, что при [t]=112 мм допустимый угол β=65°.
Таблица 1.
8. Определяем по формуле 4 значение угла γ с учетом допустимого угла β=65°.
9. Из формулы 15 определяем допустимую нагрузку на крепь из условия потери ее устойчивости
Таким образом, при заданных параметрах грузонесущая способность крепи состовляет 85 тс/м в квадрате.
Сборные крепи из железобетонных тонкостенных панелей менее устойчивы, чем из бетонных блоков. Такие конструкции, особенно из мелкоразмерных тюбингов с размерами по дуге 800-1200мм, допускают весьма небольшие (около 10-40 мм) перемещения боковых шарниров и быстро теряют устойчивость даже при сравнительно небольших нагрузках. Поэтому при проектировании таких конструкций необходимо ориентироваться на панели-тюинги больших размеров по дуге около 1600-2000 мм, и для обеспечения нормальной работы креи необходимо применять плотную забутовку или тампонаж закрепного пространства.
Характер работы крепи с податливыми прокладками в основных чертах соответствует жесткой шарнирной конструкции. Крепь в этом случае на одну прямую линию. Однако наличие прокладок осложняет процесс деформации системы, делая ее менее устойчивой. Равномерное распределение прокладок по периметру крепи при неравномерных смещениях контура выработки не рационально с точки зрения устойчивости конструкции. В этом случае в месте максимального смещения крепь ослаблена легко деформирующейся прокладкой. В результате этого ослабления образуется прогиб участка крепи-арка, в шарнирах которой возникают большие усилия.
Учитывая, что податливость конструкции является необходимым условием в процессе управления горным давлением, размещение прокладок в конструкции следует выполнять с учетом характера его проявления. Так, узлы податливости необходимо преимущественно распологать в боках выработки, т.е. в местяах, где габлюдаются минимальные перемещения пород. Как показали стендовые испытания крепи, при таком расположении прокладом предельная величина нагрузки на податливаю крепь близка к предельной нагрузке на жесткую крепь.
Обычно максимальные смещения породного контура не проявляются в виде сосредоточенного воздействия, а распространяются на какую-то часть периметра выработки. Такое обжатие крепи значительно улучшает ее работу.
Проведенные исследования показывают, что устойчивость мборных многошарнирных крепей зависит в основном от двух факторов: допустимых перемещений шарниров в процессе деформации крепи и плотности (коэффициента постели) забутовки закрепного пространства. Допустиые перемещения шарниров или деформационная характеристика крепи зависят от геометрических размеров крепи и сборных элементов и характеризует способность конструкции изменять свою форму под действием горного давления без потери устойчивости.
Наибольший устойчивостью обладают блочные крепи с плоским примыканием сборных элементов. Такие крепи до потери устойчивости допускают перемещения со стороны кровли 120-240 мм. и со стороны боков 100-160 мм. в зависимости от величины сечения. Крепи удовлетворительно выдерживают нагрузку и при забутовке закрепного пространства рядовой породой, уложенной вручную.
Рисунок 1.
В результате выполненного исследования разработана методика расчета сборной крепи на устойчивость. Расчетная схема представлена на рис. 1 (выше).
Грузонесущая способность блочной крепи по условию сохранения устойчивости конструкции может быть определена по формуле
Формула 1.
где p - отпор забутовки, определяется из компрессионнной характеристики забутовочно материала; l - размер блоков (панелей) по внешней дуге; β, γ - угловые параметры крепи.
Формула 2.
Формула 3.
Формула 4.
Их значения могут быть надены из зависимости боковых перемещений контура крепи на допустимую величину где f и t - вертикальные и боковые пермещения крепи; R и R1 - соответственно радиус крепи в свету и вчерне; σ и R - суммарная толщина и коэффициент податливости прокладок; a1 и a2 - линейные параметры верхней и a, a1 и a2 - центральные углы секций крепи. боковой секций блоков.
Формула 5.
Формула 6.
Значения угла B в зависимостях (формула 2) и (формула 3) в процессе работы сборной крепи изменяется в пределах βo≤β≤90°. Поэтому при расчете допустимой на крепь нагрузки по формуле 1 углы β и γ должны быть приняты с учетом их соотвествия боковому перемещению крепи и на допустимую величину [t]≤0,5 tmax. Максимально возможные перемещения контура крепи имеют место при β=90°. Минимальное значение угла определяются по формуле
Формула 7.
Число блоков в секциях, необходимое для определения центральных углов секций a1, a и a2, находят по формуле
Формула 8.
где φ - центральный угол блока; d - толщика крепи.
Если число блоков по формуле 8 окажется нечетным, то их число в верхней и боковой секциях крепи составит
Формула 9.
Формула 10.
При четном числе блоков, наденном по формуле 8
Формула 11.
Зная число блоков в секциях m1 и m2 можно легко определить центральные углы секции
Формула 12.
Формула 13.
Формула 14.
Если нагрузка на крепь известна, то характеристика забутовки (коэффициент постели), необходимая для обеспечения нормальной работы крепи в устойчивом режиме, определяется по формуле
Формула 15.
где [t] - допустимые перемещения боковых шарниров крепи.
Пример расчета сборной крепи.
Рассмотрим пример расчета сборной крепи по предложенной методите.Пример. Определить допустимую нагрузку на блочную крепь по условию ее устойчивости, если радиус крепи R=2585 мм, толщина блоков d=300 мм, их размер по внешней дуге l=670мм. Толщина прокладов между блоками σ
=13 мм, коэффициент сжимаемости прокладок R=0,5. Забутовка крепи производится породой с кэффициентом постели R=1,5 кгс/м в кубе.
Решение 1. При заданных геометрических размерах центральный угол блока φ=14°38'.
2. По формуле 8 находим суммарное число блоко в верхней и боковой секциях крепи
Следовательно, число блоков в верхней и боковой секциях крепи согласно формуле 11 составим
3. По зависимостям формул 12-14 определяем центральные углы секций крепи
4. По формулам 5 и 6 определяем размеры верхней и боковой секции крепи
5. По формулам 2, 3 определяем максимально возможные перемещения контура крепи, приняв β=90°.
Приняв величину допустимых перемещений шарниров 60% от максимально возможных, получим
6. По формуле 7 определяем минимальное значение угла
7. Задаваясь в формулах 5 и 6 значениями угла β от 60° до 90°, определяем зависимость f и t от B. Результаты расчетов сведены в таблице 1 (ниже). Из таблицы находим, что при [t]=112 мм допустимый угол β=65°.
Таблица 1.
8. Определяем по формуле 4 значение угла γ с учетом допустимого угла β=65°.
9. Из формулы 15 определяем допустимую нагрузку на крепь из условия потери ее устойчивости
Таким образом, при заданных параметрах грузонесущая способность крепи состовляет 85 тс/м в квадрате.
Сборные крепи из железобетонных тонкостенных панелей менее устойчивы, чем из бетонных блоков. Такие конструкции, особенно из мелкоразмерных тюбингов с размерами по дуге 800-1200мм, допускают весьма небольшие (около 10-40 мм) перемещения боковых шарниров и быстро теряют устойчивость даже при сравнительно небольших нагрузках. Поэтому при проектировании таких конструкций необходимо ориентироваться на панели-тюинги больших размеров по дуге около 1600-2000 мм, и для обеспечения нормальной работы креи необходимо применять плотную забутовку или тампонаж закрепного пространства.
Характер работы крепи с податливыми прокладками в основных чертах соответствует жесткой шарнирной конструкции. Крепь в этом случае на одну прямую линию. Однако наличие прокладок осложняет процесс деформации системы, делая ее менее устойчивой. Равномерное распределение прокладок по периметру крепи при неравномерных смещениях контура выработки не рационально с точки зрения устойчивости конструкции. В этом случае в месте максимального смещения крепь ослаблена легко деформирующейся прокладкой. В результате этого ослабления образуется прогиб участка крепи-арка, в шарнирах которой возникают большие усилия.
Учитывая, что податливость конструкции является необходимым условием в процессе управления горным давлением, размещение прокладок в конструкции следует выполнять с учетом характера его проявления. Так, узлы податливости необходимо преимущественно распологать в боках выработки, т.е. в местяах, где габлюдаются минимальные перемещения пород. Как показали стендовые испытания крепи, при таком расположении прокладом предельная величина нагрузки на податливаю крепь близка к предельной нагрузке на жесткую крепь.
Обычно максимальные смещения породного контура не проявляются в виде сосредоточенного воздействия, а распространяются на какую-то часть периметра выработки. Такое обжатие крепи значительно улучшает ее работу.
