Индивидуальные крепи и верхняки
К призабойным крепям относятся деревянные стойки, металлические стойки (трения и гидравлические) типа ТУ, СУГ, ГВД и др., верхняки (деревянные, пластиковые, металлические).
Деревянные крепи отличаются конструктивной простотой, транспортабельностью и удобствами в установке, широким диапазоном условий их применения. Основными недостатками таких крепей является их недолговечность, большой разброс прочностных характеристик, трудоемкость установки, значительный расход лесоматериалов, особенно в сложных горно-геологических условиях.
Они используются в качестве призабойной и посадочной крепи (органка, кусты, костры, кустокостры). Диаметр стоек зависит от мощности пласта. Так при мощности пласта 0,7 м, диаметр стойки 10 см, а при двухметровом пласте он должен быть не менее 20 см.
Деревянная крепь относится к категории жестких крепей. Она не деформируется до момента достижения предела несущей способности. Поэтому деревянная крепь является надежным контролем горного давления. При его увеличении происходит деформация стоек, сопровождающаяся треском. Если лава закреплена металлической призабойной крепью (податливой), деревянные стойки применяются только в качестве контрольных. Применение деревянной призабойной крепи предусматривает неснижаемый сменный запас крепежного материала вблизи лавы.
Индивидуальные металлические стойки применяются в качестве призабойной и посадочной крепи. Металлические посадочные стойки используются в качестве режущей крепи со стороны выработанного пространства.
Металлические призабойные и посадочные стойки (трения и гидравлические) относятся к категории податливых.
В стойках трения положение выдвижных частей фиксируется с помощью замка специальной конструкции и клина или только с помощью клина.
При этом за счет сил трения в замках, сдерживающих опускание выдвижных частей, предотвращается сближение боковых пород. Сила трения в гидравлических стойках создается жидкостью, находящейся в замкнутой полости цилиндра.
В гидравлических стойках за счет упругого сжатия жидкости и
упругих деформаций их элементов имеется некоторая первоначальная податливость.
По мере увеличения нагрузки сопротивление стоек достигает рабочих значений,
которые за счет работы предохранительных клапанов поддерживаются на одном
заданном уровне. Рабочие 
характеристики индивидуальных крепей приведены на рисунке 2.1.
Посадочные стойки ОКУМ относятся к податливым стойкам трения с рабочей характеристикой нарастающего сопротивления (рис. 2.1). Они устанавливаются между рамами призабойной крепи непосредственно под кровлю так, чтобы замок был обращен к забою или развернут под углом 45°.
Перед разгрузкой посадочных стоек обязательна проверка состояния кровли, после чего выбивается клин. Передвинув посадочную стойку на новое место, вывинчивают основной винт до упора (до возможной раздвижности стойки), затем забивают клин. Начальный распор стойки производится вывинчиванием настроечного винта.
Пневматические костры типа ПМ применяются в лавах крутых пластов в качестве специальной крепи (в основном при плавном прогибе пород кровли) вместо переносных костров. Пневматические костры имеют ряд преимуществ – больший начальный распор и площадь контакта с породами, равномерная нагрузка и др.
Технические характеристики индивидуальных стоек, рекомендуемых к эксплуатации, приведены в справочниках по горному оборудованию.
В комплекте индивидуальной металлической крепи применяется металлический верхняк с навесными опорами типа ВВ30 или ВВ30М, Вик (верхняк инвентарной крепи) или рессорный верхняк типа ВР (для малой мощности пластов).
Металлические верхняки с навесными опорами предназначены для консольного поддержания кровли, как на участке изгиба конвейера, так и по всей длине забоя (рис. 2.2).
Верхняки состоят из однотипных звеньев 1 и опоры 2. Звенья шарнирно
соединяются между собой.
В исходном положении крепи (до выемки угля) на консольную часть звена навешена опора, а после прохода шнеков комбайна над конвейером консольно наращивается очередное звено верхняка. После передвижки конвейера под консольное звено верхняка устанавливается стойка, опора снимается, переносится и раскрепляется на конце вновь установленного звена. При этом верхняк работает как призабойная крепь, а опора служит удлиняющим элементом консоли.
2.2.1 Определение конвергенции вмещающих пород в призабойном пространстве очистного забоя
Опускание пород кровли в призабойном пространстве очистного забоя определяет не только устойчивость пород и их обрушаемость в выработанном пространстве, но и нагрузку на крепь, ее деформацию вплоть до потери несущей способности.
Максимальная мощность пласта – у забоя лавы, минимальная – на посадочном ряду крепи (рис. 2.3).
На расстояниях от забоя R1, R2, ..., Rn высота призабойного пространства соответственно h1, h2, ..., hn, то есть уменьшается на величину Dm1, Dm2, ..., Dmn.
Отношение
(2.1)
определяет значение угла сближения (конвергенции) пород. Если эту величину отнести к мощности пласта, получим:
. (2.2)
Значение величины a определяет категорию пород кровли по обрушаемости (см. табл. 1.5).
Во всех случаях
, (2.3)
где hn – высота призабойного пространства или
. (2.4)
Таким образом, высота призабойного пространства hn на расстоянии от забоя Rn будет равна
. (2.5)
Максимальная высота призабойного пространства приходится на первый ряд стоек, минимальная – на посадочный ряд, где Dm будет max.
Величину hn можно представить как
, (2.6)
, (2.7)
где hст – высота стойки (соответственно max и min высоты, табличные значения для данного типа стоек), м;
hв – высота верхняка, м;
hоп – высота съемной нижней опоры, м;
х – переменная, значение 1 при наличии опоры и 0 при отсутствии опоры, стойка устанавливается на почву;
hз – запас раздвижности стойки для вывода ее из-под нагрузки, м.
Из уравнения (2.5) с учетом (2.6) и (2.7) для данных условий можно определить необходимые минимальную и максимальную высоты металлической стойки
, (2.8)
, (2.9)
где Ro и Rк – соответственно расстояние в поперечном сечении призабойного пространства до первого и последнего ряда стоек, м.
Типоразмер металлической стойки устанавливается из условий
, (2.10)
, (2.11)
где 
– соответственно
возможная минимальная и максимальная высота стойки конкретного типоразмера, м.
Типоразмеры гидравлических стоек и их характеристики представлены в табл. 2.1.
Таблица 2.1 – Характеристики гидравлических стоек
|
Типы гидравлических стоек |
Типоразмеры гидравлических стоек |
Минимальная высота hn.min, мм |
Максимальная высота hn.max, мм |
Масса без рабочей жидкости, кг |
|
Гидравлические стойки внешнего питания |
||||
|
ГВП |
ОГВП 1ГВП 2ГВП 3ГВП 4ГВП 5ГВП 6ГВП |
300 360 400 450 500 560 630 |
550 720 800 930 1070 1200 1300 |
18,0 20,0 24,0 27,0 30,0 33,0 36,0 |
|
СУГВ |
4СУГВ 5СУГВ 6СУГВ 7СУГВ 8СУГВ 9СУГВ 10СУГВ 11СУГВ |
500 560 630 710 800 900 1000 1120 |
710 830 950 1100 1250 1400 1600 1800 |
18,5 20,2 22,2 24,4 25,9 30,4 32,4 37,8 |
|
ГВУ |
4ГВУ 5ГВУ 6ГВУ 7ГВУ 8ГВУ 9ГВУ 10ГВУ 11ГВУ 12ГВУ |
500 560 630 710 800 900 1000 1120 1250 |
710 830 950 1100 1250 1400 1600 1800 2000 |
24,9 27,2 30,7 32,9 35,7 39,7 42,7 46,5 50,5 |
|
Гидравлические стойки внутреннего питания |
||||
|
СУГ30 |
4СУГ30 5СУГ30 6СУГ30 7СУГ30 8СУГ30 9СУГ30 10СУГ30 11СУГ30 |
500 560 630 710 800 900 1000 1120 |
650 800 900 1000 1120 1250 1400 1600 |
22,0 24,0 25,0 28,5 30,5 33,0 36,6 40,0 |
Для условий крутонаклонных и крутых пластов коэффициент сближения боковых пород (a) для условий Донбасса равен 0,04, а минимальная и максимальная высота стоек индивидуальной крепи определяется из выражения
, (2.12)
, (2.13)
где mmin и mmax – соответственно наименьшая и наибольшая мощность угольного пласта, м;
hвз – высота деревянного верхняка и затяжки по почве, м;
Dm – колебание мощности пласта, принимается ±20% от средней мощности, м;
0,5 и 0,75 – коэффициенты, учитывающие смятие верхняка (перед переноской стоек и от начального распора).
Выбор типоразмера стоек определяется по условиям (2.10) и (2.11).
2.2.2 Расчет плотности индивидуальной крепи в призабойном пространстве
1. При пологом и наклонном залегании угольных пластов
В большинстве случаев предпочтение необходимо отдавать крепи, состоящей из гидравлических стоек и металлических верхняков с меньшей общей массой.
На основании неравенств (2.10) и (2.11) выбирается размер стоек и тип верхняка.
По условию сопротивляемости на вдавливание верхнего слоя пород почвы проверяется возможность применения гидравлических стоек без дополнительных съемных опор из неравенства
, (2.14)
где Fc – площадь нижней опоры гидравлических стоек, Fc=0,016 м2;
Рс – допустимая нагрузка на гидравлическую стойку, Рс=0,3 МН;
– среднее значение сопротивляемости
верхнего слоя почвы вдавливанию, МПа. (См. табл. 1.2);
s – среднеквадратическое отклонение сопротивляемости верхнего слоя почвы
вдавливанию, МПа, 
.
Если для конкретных горно-геологических условий выполняется неравенство (2.14), то гидравлическая стойка может быть использована без дополнительных съемных нижних опор. В противном случае определяется площадь нижних опор
или их диаметр
. (2.15)
В качестве посадочной крепи используется дополнительный ряд гидравлических стоек, крепь “Спутник”, стойки ОКУМ.
Применение специальной посадочной крепи требует проверки их раздвижности (выбор типоразмера) по уравнениям
, (2.16)
, (2.17)
где Rк и Ro – соответственно максимальное и минимальное расстояние от забоя до посадочного ряда (до переноски и после переноски посадочного ряда крепи), м;
q – запас раздвижности крепи “Спутник” или ОКУМ, q=(0,04...0,06) м.
Типоразмер посадочных стоек определяется по неравенству (2.10) и (2.11).
Расчет плотности крепления в призабойном пространстве лавы заключается в определении шага установки призабойной и посадочной крепей вдоль лавы. Шаг установки крепи рассчитывается по условиям устойчивости пород кровли и сопротивлению вдавливания.
Для конкретных условий по устойчивости пород кровли (см. табл. 1.1) определяется максимально возможный шаг установки комплектов призабойной крепи вдоль линии забоя lоб (м), при котором предотвращаются обрушения пород нижнего слоя кровли в закрепленном призабойном пространстве
. (2.18)
Минимально необходимая плотность крепи Рпр (стоек/м2), обеспечивающая необходимое сопротивление давлению пород кровли, определяется из уравнения
, (2.19)
где Qн – нижний предел суммарного сопротивления призабойной и посадочной крепи для данной категории пород по обрушаемости и мощности пласта, МПа (табл. 2.2); У=1, если предусматривается установка посадочной крепи; У=0, если установка посадочной крепи не предусматривается;
qп – минимально необходимое сопротивление крепи посадочного ряда, МН/м (см. табл. 2.2).
Определив Рпр, устанавливаем расстояние между рамками призабойной крепи вдоль линии забоя lсоп (м), при котором обеспечивается ее минимально необходимое сопротивление давлению пород кровли, по формуле
(2.20)
где N – количество гидростоек в комплекте призабойной крепи (в поперечном сечении лавы), шт., при максимальной ширине призабойного пространства Rк (перед передвижкой посадочного ряда).
Окончательно шаг установки комплектов (рам) призабойной крепи вдоль линии забоя lр принимается из выражения
, (2.21)
но с учетом категории пород по устойчивости (см. табл. 1.1).
Величина lp округляется в меньшую сторону с точностью до 0,1 м.
Если в паспорте крепления очистного забоя (технологической схеме) предусматривается установка посадочной крепи, необходимо установить максимально возможное расстояние между посадочными стойками
, (2.22)
где Рпк – допустимая нагрузка на стойку посадочной крепи, МН. Для гидравлической стойки Рпк=0,3 МН, “Спутник” – 0,8 МН.
Расчетная величина принимается в качестве шага установки посадочной крепи lпос.
Необходимость посадочного ряда стоек для конкретной категории пород по обрушаемости доказывается следующим образом.
Из уравнения (2.19) находим
. (2.23)
При отсутствии посадочных стоек получаем
. (2.24)
Сравнивая расчетное значение Qп
по величине Рпр для данной категории пород по обрушаемости и
мощности пласта с табличным 
(см. табл. 2.2), имеем 
.
Пример.
Категория пород кровли по обрушаемости А2, мощность пласта 
=0,9 м. Из табл. 2.2 имеем
Рпр=(0,67...1,00) ст/м2
=0,25 МПа.
Крепление лавы осуществляется гидростойками с Рст=0,3 МН.
1. При Рпк=0,67 ст/м2
Qн=0,3´0,7=0,21 МПа.
2. При Рпк=1,0 ст/м2
Qн=0,3´1,0=0,3 МПа.
В первом случае расчетное значение Qн
меньше табличного 
и
посадочный ряд необходим.
Во втором случае 
посадочный ряд не нужен.
2. Крутонаклонное и крутое залегание угольных пластов
При выборе типоразмера и плотности призабойной крепи следует учитывать состав и строение пород кровли и почвы, характер их поведения, мощность пласта и ее колебания в пределах выемочного участка, значение величины сближения боковых пород и возможное ее колебание. Это значение определяется с учетом величин динамического сближения пород от проявления внезапных выбросов угля и газа, высыпаний угля на сравнительно большой площади и осадок основной кровли.
Минимальная и максимальная высота стоек индивидуальной крепи определяется по формулам (2.12) и (2.13). Это дает возможность выбрать типоразмер стоек по таблице 2.1.
Деревянная крепь применяется при любой технологии выемки угля (молотковая, комбайновая). Металлическая крепь рекомендуется для комбайновой выемки. В кровле и почве применяются деревянные распилы или обаполы.
Согласно “Инструкции по управлению горным давлением в очистных и подготовительных выработках при разработке угольных пластов с углом падения свыше 35°”, Донуги, 1988 г., плотность призабойной крепи зависит от класса вмещающих пород, технологии выемки (комбайновая, молотковая) и участка очистного забоя (табл. 2.3 и 2.4).
Таблица 2.3 – Плотность призабойной крепи по длине комбайновой лавы в зависимости от класса боковых пород
|
Схема выемочного участка |
Плотность установки призабойной крепи, ст/м2 |
|||||
|
Класс вмещающих пород |
||||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
3,3 |
2,2 |
2,2 |
3,3 |
2,2 |
|
Комбайновая часть очистного забоя |
– |
1,7 |
1,7 |
1,5 |
1,7 |
1,7 |
|
Спасательная ниша |
– |
3,3 |
2,2 |
2,2 |
3,3 |
2,2 |
|
Магазинный уступ |
– |
3,3 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
|
Просек |
– |
3,3 |
2,2 |
2,2 |
3,3 |
2,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
При разработке паспорта крепления очистного забоя наряду с плотностью крепления необходимо учитывать вынимаемую мощность пласта, а также заполняемость выработанного пространства обрушенной породой, которая определяется отношением мощности обрушаемых пород непосредственной кровли (h) к мощности разрабатываемого пласта. Параметры сопротивления призабойной и посадочной крепи определяются по табл. 2.5.
Таблица 2.4 – Плотность призабойной крепи по длине молотковой лавы в зависимости от класса боковых пород
|
Схема выемочного участка |
Плотность установки призабойной крепи, ст/м2 |
|||||
|
Класс вмещающих пород |
||||||
|
I |
II |
III |
IV |
V |
VI |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Зона охраны вентиляционного штрека |
3,3 |
3,3 |
2,2 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
|
Спасательная ниша |
3,3 |
3,3 |
2,2 |
1,7 |
3,3 |
2,2 |
|
Рядовой уступ |
3,3 |
2,2 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
|
Спасательная ниша |
3,3 |
3,3 |
3,3 |
1,7 |
3,3 |
2,2 |
|
|
3,3 |
2,2 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
1,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Спасательная ниша |
3,3 |
3,3 |
2,2 |
1,7 |
3,3 |
2,2 |
|
Магазинный уступ |
3,3 |
2,2 |
2,2 |
2,2 |
1,7 |
1,7 |
|
Просек |
3,3 |
3,3 |
3,3 |
3,3 |
3,3 |
2,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.5 – Параметры сопротивления призабойной и посадочной крепей
|
Вынимаемая мощность пласта, м |
|
|
|
|||
|
призабойная, кН/м2 |
посадочная, кН/м |
призабойная, кН/м2 |
посадочная, кН/м |
призабойная, кН/м2 |
посадочная, кН/м |
|
|
До 1,00 |
120¼150 |
300¼500 |
150¼200 |
500¼600 |
200¼250 |
600¼800 |
|
1,01-2,00 |
150¼200 |
500¼600 |
200¼250 |
600¼800 |
250¼300 |
800¼1300 |
Используя данные табл. 2.5, выбираем тип индивидуальной призабойной и посадочной крепей.