Исследования несущей способности арочной крепи при различных вариантах нагружения.

Г.И. Гайко, канд. техн. наук (Донбасский горно-металлургический институт),

М. Роткегель, канд. техн. наук (Главный институт горного дела, Польша)

В настоящее время большое внимание уделяется вопросам оптимального проектирования крепей выработок, где сосредоточены важные резервы по снижению материальных затрат и повышению конкурентоспособности горных предприятий. Особый интерес представляют стальные рамные крепи арочной формы, которыми поддерживается на шахтах Украины, Польши, России от 80 до 90% выработок.

Определяющую роль при выборе параметров арочной крепи играет распределение нагрузок по периметру рамы. В практике проектирования наибольшее распространение (благодаря простоте расчетов) получила схема, в которой активное нагружение распределено по всему периметру крепи. Однако в условиях слоистого массива всестороннее нагружение встречается редко. Как показывает опыт, породы деформируются и смещаются неравномерно, как правило, по нормали к напластованию. При этом нагружается ограниченный участок рамы (место активного нагружения), который несколько увеличивается по мере сжатия забутовки, податливости и деформирования элементов крепи. На большей части периметра рамы возникает пассивный отпор пород, обусловленный смешениями стоек в сторону массива. В данном случае взаимодействие крепи с массивом отражает расчетная схема, представленная на рис. 1. Длина участка активного нагружения выражена с помощью угла контакта, его центр совпадает с нормалью к напластованию пород (последняя задается углом), а распределение нагрузки подчинено параболическому закону [1].

Целью проведенных исследований было определить напряжения и запас прочности в элементах крепи в зависимости от изменения размеров участка активного нагружения и угла наклона нормали к напластованию пород. Моделировалась стальная арочная крепь из спецпрофиля СВП-27 в выработке шириной 5,5 м и высотой 3,5 м. Характеристики забутовки в блоках выработки были подобны по жесткости тампонажу закрепленного пространства цементным раствором. Активная нагрузка принята 100 кН.

Расчеты проводились методом конечных элементов с использованием компьютерной программы КО5МО8/М [2], что позволило учесть пассивный отпор пород и геометрию спецпрофиля крепи. Исследованы три направления приложения нагрузки, когда угол a был 90, 76 и 63°. В каждом случае принято семь размеров участка активного нагружения от 1 до 120° (с интервалом 20°), для которых в таблице приведены параболические уравнения.

Результаты в виде графиков распределения напряжений по ширине арки (для характерных случаев) приведены на рис. 2. Расчеты показали существенную неравномерность распределения действующих усилий даже при симметричном нагружении крепи (варианты 1, 3, 7). Так, нижние участки стоек длиной около 1,5 м имеют запас прочности в 5-8 раз больший, чем верхняк в вершине свода. Напряжения в циркулярной части арки также весьма разнятся. При сосредоточенной нагрузке (варианты 1, 8, 15) в верхняке возникают напряжения, превышающие предельные (270 МПа), хотя действующая нагрузка (100 кН) более чем в 2 раза ниже, чем сопротивление крепи в податливом режиме.

Примечательно, что максимальные напряжения, предопределяющие несущую способность крепи, изменяются в зависимости от длины участка нагружения в рассмотренных пределах приблизительно в 2,5 раза (варианты 1, 8, 15 и 7, 14, 21). Влияние угла а на максимальные напряжения при жесткой забутовке незначительное. Отклонение угла а от вертикали вызывает заметную асимметрию напряженного состояния крепи тем большую, чем меньше участок активного нагружения. Справедливо и обратное: уже при угле 2b=120° (варианты 7, 14. 21) напряжения на каждом из критических участков (2400-3200; 4400-5400; 7400-8200 мм) приблизительно равны, что подобно типовым расчетным схемам требует применения по всему периметру арки элементов с одинаковой несущей способностью.

В этой связи актуальность приобретает вопрос о размерах участка активного нагружения для различных горно-геологических условий работы крепи. По данным статистической обработки натурных наблюдений, проведенных в 66 выработках шахт ГХК "Луганскуголь" и "Краснодонуголь" (средний метаморфизм горных пород), наиболее правдоподобным оказался угол 2b=40°, т. е. длина дуги верхняка около 2 м [3]. Вероятность случая, когда 2b=7О°, составляет менее 0,1, что подтверждает соответствие предложенной расчетной схемы фактическим условиям работы крепи.

Как видно из графиков (рис. 2), для обеспечения равного запаса прочности в наиболее напряженных участках крепи надо при симметричном нагружении (вариант 3) усилить центральную часть верхняка (максимум напряжений) сегментом спецпрофиля длиной 1200-1400 мм, что повысит несущую способность рамы приблизительно на 30% и позволит увеличить шаг установки крепи. При асимметричной нагрузке (варианты 10, 17) следует применять с противолежащей стороны стойку из облегченного в 1,5-1,7 раза спецпрофиля, что сэкономит до 50 кг металла на каждой раме.

Полученные сведения о напряженном состоянии крепи позволяют определить необходимое усилие сопротивления узлов податливости и избежать негативных явлений, когда деформация верхняка предшествует проскальзыванию элементов крепи в соединениях (результат расчета крепи на всестороннюю нагрузку). Кроме того, сравнение напряжений в сечении профиля СВП (графики не приведены) свидетельствует, что усилия на фланцах оказываются на 15-20% ниже, чем в днище, и при оптимизации конструкции профиля следует усилить донную часть.

Рис.2. Распределение напряжений по периметру 1 арочной крепи:

а) - угол 20= 1 °;

б) - 2b=40°;

в) - 2b=120°.

Выводы. При проектировании арочных крепей выработок особое внимание должно уделяться получению информации о возможных размерах и месте расположения участка активного нагруження крепи. Используя эти сведения и программное обеспечение (программа КО8МО8/М и др.), можно с высокой степенью достоверности определять напряженное состояние арок. Приведение в соответствие действующих и допустимых напряжений путем перераспределения материала по периметру рамы позволит спроектировать конструкцию крепи как систему наименьшей массы и стоимости.

Литература:

1. Литвинский Г.Г., Гайко Г.П., Кулдыркасв П.П. "Стальные рамные крепи горных выработок" -К.: Техника, 1999.

2. Роткегель Л. "Теоретические основы проектирования конструкций стальных рамных крепей с повышенной пространственной устойчивостью", 2001.

3. Гайко Г.И., Салуга П.К. "Вероятностная трактовка закономерностей распределения нагрузки по периметру арочной крепи"// Сб. науч. тр.- Алчевск: ДГМИ. - 2001. № 14.