Кафедра РКК   Гірничий факультет   ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Введення

Стійкий інтерес до проблеми кріплення й підтримки гірничих виробок на вугільних шахтах в останні десятиліття нерозривно пов'язаний зі зростаючими вимогами до міцності й надійності застосовуваних конструкцій кріплень у гірничо-геологічних умовах, що ускладнюються, відпрацьовування родовищ, інтенсифікацією проявів гірського тиску.

1. Актуальність теми

У рефераті проаналізований досвід підтримки підготовчих виробок різними рамними конструкціями кріплення й тенденції її розвитку ,у тому числі на найближчий період.

2. Огляд досліджень і розробок

2.1 Огляд міжнародних джерел

Із промисловим освоєнням металопрокату в 40- е роки 19 століття сталеві рамні кріплення почали широко застосовуватися в практиці підземного будівництва шахт Німеччини й Чехії. Спочатку в гірничих виробленнях використовували тверді рами зі сталевого двотаврового профілю або рейки планок, що з'єднуються за допомогою, і болтів. Однак, значні зсуви породного контуру приводили до неприпустимих деформацій кріплення й необхідності її ремонту, оскільки жорстка конструкція може пристосовуватися до змішання порід тільки ціною залишкової деформації з наступним руйнуванням елементів рами. У цьому зв'язку до початку XX століття тверде металеві конструкції вважалися непридатними для кріплення гірничих виробок. Тому надалі вдосконалювання сталевих рамних кріплень ішло по шляху збільшення їх працездатності й пристосування (адаптації) до формозміни перетину вироблення. Для цього на першому етапі (до 1924 р.) у конструкцію сталевого аркового кріплення були введені додаткові шарніри, що дозволили знизити нерівномірність розподілу зовнішніх навантажень за рахунок їх передачі на навколишні кріплення породи. Особлива заслуга по впровадженню шарнірних арок належить фірмі "Ф.В. Моль і сини", завдяки якій в 40- е роки 20 століття сталеве рамне кріплення знаходить масове застосування на вугільних шахтах Руру. На другому етапі, в 1932 році фірма " Тиссен-Хайнцман" (Німеччина) розробляє парні жолобчасті профілі різних типорозмірів і вдалу конструкцію їх з'єднань (прототип нинішніх замків піддатливості). Завдяки цьому рамне кріплення стало податливим і, зберігши свої функції, одержала можливість "іти" від гірського тиску без руйнування, пристосовуючись до змішань породного контуру. Після другої світової війни металеві податливі кріплення одержують широке поширення в більшості промислово-розвинених країн. До кінця 50- х років 20 століття сталевим рамним кріпленням підтримувалося: у Німеччині - до 50 % гірничих виробок, у Франції - більш 60 %, в Англії - більш 70 %, у Бельгії - до 90 %. З 50- х років 20 століття почалося широке використання сталевих рамних кріплень на шахтах колишнього СРСР. Великий внесок у розробку сталевого рамного кріплення внесли вітчизняні наукові школи, що виникли на базі гірничих вузів і галузевих інститутів.

Спочатку роботи з конструювання й впровадженню рамних кріплень були зосереджені в ДОНУГИ (м. Донецьк)[1]. Тут були розроблені параметричний ряд взаємозамінних спеціальних профілів (СВП), особливі сталі для виготовлення елементів кріплення, створені нормативні матеріали по виготовленню й застосуванню податливих кріплень типу АП (Комісарів М.А., Зигель Ф С. і ін.).

Великий внесок у розробку конструкцій рівно- радіусних кріплень, що забезпечують підтримку підготовчих виробок в умовах похилого й крутого падіння на шахтах ЦРД, внесли проф. С.Я. Липкович і С.В. Краснов. Важливі дослідження з вивчення взаємодії металевому податливому кріплення з масивом і визначенню навантажень на кріплення минуле проведене в 60- е 70- е роки 20- го століття проф. Ю.3. Заславским, проф. І.Л. Черняком і проф. Ю.М. Либерманом.

В Інституті Гірничої Справи ім. А. А. Скочинского (г. Люберцы) під керівництвом проф. М.Н. Гелескула й проф. Е.С. Кисельова приблизно в ці ж роки були вивчені питання підвищення продуктивності праці й економії металу на гірничо-підготовчих роботах, створені нові сталеві податливі кріплення типу МПК, МИК з кулачковими й клиновими вузлами піддатливості.

Науковою школою проф. В.Н. Каретникова й В.Б. Клейменова (Тульський Державний Технічний Університет, м. Тула) були розроблені методи автоматизованого розрахунків кріплення як просторової системи, запропоновані нові елементи для просторового посилення конструкцій, поліпшений спеціальний профіль СВПУ й ін.

Оригінальні, дослідження проведені в Санкт-петербурзькому Державному Гірському Університеті проф. В.В. Смирняковым, який одним з перших створив шарнірно-податливий вузол з'єднання несучих елементів кріплення й розробив ряд кріплень підвищеної піддатливості.

При освоєнні вугільних родовищ Західного Донбасу, де вироблення проходилися й підтримувалися в слабких, схильних до розмокання породам, великий внесок в удосконалювання конструкцій і технології зведення сталевих рамних кріплень внесли вчені: проф. А.П. Максимов (НГА України), проф. Г.С. Пиньковский (Днепрогипрошахт), проф. Б.М. Усаченко (ИГТМ АН України), проф. Ю.М. Халимендик, проф. В.І. Бондаренко (НГУ) і ін.

Нормативні матеріали з розрахунку й застосуванню кріплення в гірничих виробленнях були розроблені в ПОЧУЙ (г. С.-Петербург) і НИИОМШС (м. Харків) під керівництвом проф. І.Г. Коскова й проф. В.П. Дружко.

Великий внесок у розв'язок проблеми керування зусиллями в рамних кріпленнях, розробку способів і засобів підвищення працездатності конструкцій, розробку методів оцінки й прогнозу взаємодії кріплення, що й уміщає масиву внесли вчені ДОНГТУ (г. Алчевск): проф. Г.Г. Литвинский і Г.І. Гайко[2].

Завдання зниження витрати металу в сталевих рамних кріпленнях шляхом застосування анкерів вирішена в КУЗНИИШАХТОСТРОЕ проф. Ерофеевым Л.М. (м. Кемерово).

Велика різноманітність конструктивних розв'язків сталевих рамних кріплень і значний діапазон їх робочих характеристик, що дозволяє підбирати конструкції для широко кола геомеханических умов підтримуваних виробок, зробили рамні кріплення фактично універсальним засобом кріплення гірничих виробок.

2.2 Огляд національних джерел

Для підготовчих виробок вугільних шахт України найбільш використовуваної була й залишається розроблена ДОНУГИ в 70- е роки 20- го століття аркове податливе кріплення зі спецпрофиля СВП: трехзвенная - АП-3 (або КМП- А3 і модифікація з подовженими стійками) і 5- ти звенная (АП-5 або КМП- А5). Обсяги застосування арковому кріплення в підготовчих виробленнях - до 95 % від загального обсягу проведення. На шахтах таких розвинених вуглевидобувних країн як Росія, Польща, Чехія, Німеччина й Китай рамні кріплення також є найпоширенішими конструкціями.

По даним ряду досліджень (у тому числі Ю.З. Заславского) зі збільшенням глибини розробки з 500 м до 1000 м зсуву бічних порід у підготовчих виробленнях виросли в три рази, а сприймані кріпленням навантаження - в 2,0 рази. Незважаючи на це (за даними В.Г. Лисичкина й К.В. Кошелева), у переважній більшості випадків, деформовані податливі кріплення, працюючи за межами свого паспортного експлуатаційного режиму роботи, забезпечують залишкову несучу здатність. При цьому навантаження на кріплення, при позамежному деформуванні несучих її елементів, перерозподіляється по периметру рами, а зсуву елементів кріплення відбуваються з поступової (поетапної, досить плавний) втратою стійкості, без руйнувань. При цьому зберігається значна частина від первісного перетину вироблення (робочого простору). Усе це дозволяє вважати металеве аркове податливе кріплення однієї з найбільш безпечних конструкцій.

2.3 Огляд локальних джерел

За даними досліджень, виконаних Н.В. Гавриловим, В.І. Бондаренко й Л.В. Байсаровим, крім високої надійності, сталеве рамне кріплення є конкурентоспроможним за вартістю кріплення, уступаючи тільки нарызгбетонной і анкерної кріпленням, які мають обмежену область застосування по стійкості порід, що вміщають, і умовам розробки[3].

Разом з тим, застосовувані в цей час рамні кріплення мають і дуже істотні недоліки, виявлені в процесі їх експлуатації. У ряді ж уипадків, як показує виробничий досвід, відзначене їхнє повне не відповідність умовам більших глибин і інтенсивного прояву гірського тиску. Так, по даним обстежень стану гірничих виробок на шахтах, проведених ДОННТУ, ДНУ, ДОНГТУ й ін. типові рамні кріплення деформовані й вимагають ремонту в 30-50 % обстежених виробок.

Як система кріплення, аркове кріплення має ряд недоліків. Вона фактично не підтримує вироблення доти , поки породи, що вміщають, не зруйнуються й не почнуть зміщатися у вироблення, навантажуючи рами кріплення. Тобто , кріплення працює в пасивному режимі й не перешкоджає руйнуванню масиву, що вміщає. Крім цього основними недоліками аркового кріплення є: більша металоємність; кріплення не включається в роботу відразу після оголення проектного контуру вироблення, неможливість повної механізації процесу кріплення (затягування рам і забутовка закрепного простори проводяться вручну); не відповідність умовам її нагружения (немає співвісності між напрямками піддатливості кріплення й найбільших зсувів контуру вироблення)[4].

Проведені численні експериментальні дослідження й досвід підтримки виробок показують, що забезпечити їхній нормальний експлуатаційний стан протягом усього терміну служби можна лише шляхом використання несучої здатності породного масиву, що вміщає вироблення. Тому, одним з перспективних напрямків удосконалювання рамних конструкцій в останні роки стало застосування анкерно- рамних і рамно-анкерних конструкцій кріплення(рис.1).

Рисунок 1 – Послідовність робіт зі зведення рамно-анкерного кріплення
(анимація: 8 кадрів, тривалість кожного кадра - 50 мс, 66 Кб)

Украй негативним наслідком застосування типових металлокрепей у складних гірничо-геологічних умовах, крім росту вартості підтримки виробок, є неможливість побільшати навантаження на очисній вибій і інтенсивність відпрацьовування запасів. Так, на шахтах ім. А.А. Скочинского, ім. Челюскинцев, ш/у "Жовтнева", ім. А.Ф. Засядько, " Щегловская-Глибока", ім. А.М. Стаханова й ін., де глибина ведення робіт перевищує 900 м, вартість перекріплення 1 п.м вироблення на 30 % і більш перевищує вартість її кріплення при спорудженні. В умовах вище перерахованих шахт усі підготовчі вироблення при стовповій системі розробки обов'язково 1 раз перекрепляются, а при комбінованій або суцільній системі розробки - 2-3 рази. При цьому, через поганий стан підготовчих виробок добове навантаження на лаву не перевищувала 700-800 т.

Удосконалювання конструкцій рамних кріплень в останні десятиліття розбудовувалося по наступних напрямках:

- зменшення металоємності кріплення;

- максимальне спрощення конструктивних елементів;

- спрощення технології виготовлення кріплення.

Пріоритетними заходами при цьому було використання низьколегованих сталей з більш високими прочностными властивостями й прокатних профілів з підвищеними статичними показниками (КГВ). Конструкції кріпильних рам спрощувалися за рахунок виключення електрозварювання на ділянках обпирання стійок на підошву вироблення ("підп'ятник"), скорочення довжини нахлестки елементів у замках і кількості межрамных стяжок. У профілю КГВ, незважаючи на зниження, що досягається, металоємності кріплення на 4 % при постійній несучій здатності й збільшенні на 30 % робочого опору запас міцності ще нижче - 1,1-1,2.

Досвід застосування сталей з більш високими прочностными властивостями був спрямований на зниження розміру профілю на щабель при тому ж перетині. Однак при цьому робочий опір кріплення знизився на 12-22 %, а за рахунок підвищення крихкості стали зросла деформація несучих елементів кріплення.

Іншої відомою тенденцією розвитку засобів кріплення виробок (у тому числі й рамних конструкцій) останні 3-4 десятиліття залишається збільшення площі поперечного переріза підготовчих виробок. Так, якщо в 70- е роки 20- го століття значення середньої площі поперечного переріза для відкаточних штреків не перевищувало 11,2 м2 , то в 2003 році воно становило вже 14,8 м2, а в цей час досягає 16-18 м2. По даним обстежень стану гірничих виробок, проведених ДНУ в 2008-2010 роках, кріплення з перетином до 11,2 м2 практично не використовуються (4 %); з перетином 13,8 м2 - 37 %; з перетином 15,5 м2 - 25 %; з перетином 18,3 м2 - 29 %; і з перетином 19 м2 і більш - 5 %.

Слід зазначити, що рами з поперечним перерізом у світлі до 11,2 м2 , які найбільше часто зустрічалися 25-30 років тому, у цей час практично не використовуються, а переважні зараз перетину 13,8 м2 найчастіше виявляються не достатніми й витісняються перетинами 15,5 м2 і 18,3 м2. На шахтах з особливо тяжкими умовами підтримки переважно використовуються кріплення трехзвенные, з подовженими стійками з перетином 18,3 м2. Разом з тим, досвід застосування трехзвенных кріплень із подовженими стійками (перетин 18,3 м2) і пятизвенных кріплень виявився негативним, тому що поліпшення стану виробок добитися не вдалося[5].

Ще одна тенденція розвитку рамного кріплення пов'язана із застосуванням більш важких профілів. Так, до 1983 року, спецпрофиль СВП-14 вийшов із уживання, а питомий обсяг застосування спецпрофиля СВП-17 знизився в 5,9 рази (з 20 % до 3,4 %). ДО 2003 року, СВП-17 також вийшов із уживання. Рік у рік скорочується обсяг застосування СВП-19. Основними типорозмірами в цей час є СВП-22, СВП-27 і СВП-33, що пов'язане зі збільшенням середніх перетинів підтримуваних виробок, що виготовляються із профілів більших розмірів.

У процесі обстеження стану кріплень на шахтах Західного Донбасу, проведеного В.Я. Кириченко, була виявлена тенденція виготовлення металлокрепи з більш важких типорозмірів профілю, чому це необхідно по технічних умовах. Це пояснюється прагненням виробничників підвищити несучу здатність типових рамних кріплень. Така екстенсивна тенденція розвитку рамного кріплення малоефективна й пов'язана з відсутністю альтернатив при виборі типу кріплення. Результатом такого підходу з'явилася негативна тенденція збільшення щільності установки рамному кріплення, яке вже зараз привело до росту металоємності кріплення до 1,2 тонни на 1 п.м вироблення[6].

В останні десятиліття неухильно відбувається зміна геомеханической ситуації при відпрацьовуванні вугільних шарів на більших глибинах. Зростають не тільки зсуву, що вміщають вироблення порід, змінюється характер і інтенсивність, що протікають у масиві, що вміщає вироблення, деформаційних процесів. Це приводить не тільки до різкого збільшення витрат на підтримку виробок, але й практично зводить нанівець одне з основних переваг найбільш перспективних стовповий і комбінованої систем розробки, що забезпечують при навантаженні на лаву 3,0-3,5 тис. тонн у добу необхідну економічність відпрацьовування запасів. Разом з тим, обсяг їх застосування на шахтах України в 2012 році склав більш 80 %, а обсяг вугілля, що добувається там, - більш 90 % з використанням сучасних механізованих комплексів. Однак добові навантаження на лаву тільки в 50 % випадків перевищують 1500 т/сут, перекриваючи мінімальний поріг окупності таких комплексів як 3КД-90[7].

Основною причиною такої ситуації слід уважати не задовільний стан усіх підтримуваних конвеєрних і вентиляційних виробок, у тому числі й на рівні "вікна лави". У цей час до 55% дільничних витрат припадає на ремонт і підтримка выемочных штреків, а також комплекс робіт на сполученнях

Використання для підтримки конвеєрних виробок старих типових рамних кріплень, що мають не відповідні до нових умов силові й кінематичні характеристики не дозволяє забезпечити ефективність відпрацьовування запасів при стовповій системі розробки.

Одним з радикальних шляхів вирішення цієї проблеми є перехід на безнишевую технологію, з виносом кінцевих приводів лавного конвеєра в межі перетину выемочных штреків. Однак ця умова в новій геомеханической ситуації, при використанні сталевих кріплень старого типу, стало непереборною перешкодою при розв'язку завдання забезпечити високі техніко-економічні показники роботи добычных ділянок. На думку експертів, найбільш перспективної вважається тенденція, спрямована на підвищення несучої здатності кріплення за рахунок зміни форми поперечного переріза вироблення й типу рамної конструкції[8].

До 80- х років 20 століття, в Україні, ідея створення рамних кріплень еліптичної форми вважалася не здійсненної по техніко-технологічних причинах. Перехідним технічним розв'язком стали розроблені трьох- шарнірні кріплення КС-4, що пройшли успішну апробацію на шахті "Південно-донбаська №3" в 1994-1995 рр.

На початку 80- х років минулого століття були розроблено дві конструкції рамного кріплення, що наближається за формою до еліпса: КЭП і КШПУ. Кріплення типу КЭП була розроблена МАКИСИ й успішно використовувалася в системі Укршахтостроя.

Однак, для кріплення штреків вона не підійшла через обмежену піддатливість (від 120 до 200 мм). Кріплення КШПУ була створена для умов Західного Донбасу й у порівнянні з АП-3 показала кращу несучу здатність і більш високу стійкість[9].

Подальший розвиток тенденція зміни форми поперечного переріза виробок знайшла при розробці пятизвенной кріплення типу КМП- А5С (розроблювач Донбаський НЦ при АГН України) і четырехзвенной кріплення КМП- А4ДО (розробленої на підставі досвіду застосування рамних кріплень на шахтах Німеччини). Однак ці конструкції кріплення широкого поширення не одержали через необхідність мати у вибої додаткове встаткування для монтажу й більш складної технології складання[10]. .

Висновки

Аналізуючи обсяги й області застосування сталевих аркових кріплень, кількість конструкцій, що випускаються, а також винаходу, що продовжують строк експлуатації рамних конструкцій, проф. Г.Г. Литвинский робить висновок про них S- Образному характері розвитку в часі, як будь-якої технічної системи. Тому що система вже пройшла вихідний етап швидкого вдосконалювання й наступний етап стабільного росту, то темпи її розвитку починають спадати, хоча обсяги застосування ще достатньо високі. Надалі , відповідно до "закону життя технічних систем", сталеве рамне кріплення швидше за все витисне принципово іншою системою кріплення (анкерні, породонесущие конструкції й ін.). Однак, у найближчі 10-20 років це малоймовірно через високу інерційність розвитку гірської промисловості. Більш імовірно, що рамне кріплення перейде на суттєво більш високий рівень свого технічного розвитку.

Найбільш перспективними напрямками вдосконалювання металевого рамного кріплення для підготовчих виробок є зміна форми поперечного переріза й конструкції кріплення, а також використання комбінованих конструкцій на основі анкерних систем, що дозволяють за рахунок залучення порід, що вміщають, у спільну роботу із кріпленням суттєво побільшати її несучу здатність.

Список джерел

  1. Касьян Н. Н., Петренко Ю. А., Новиков А. О. О перспективах применения анкерной крепи наугольных шахтах Донбасса //Научные труды ДонНТУ. - 2009. №10. - ст. 109-115;
  2. Г.Г. Литвинский, Г.И. Гайко., Н.И. Кулдыркаев. Стальные рамные крепи горных выработок. – К.: Техніка, 1999. – 216 с.
  3. М. Месарович., Мако Д., И. Такахара. Теория иерархических многоуровневых систем: Пер. с англ. – М.: Мир, 1973. – 334 с.
  4. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб., 1991. – 125 с.
  5. Г.Ю. Альбертс., К. Цастрау. Проходка горизонтальной породной выработки с использованием нового австрийского способа туннелестроения // Глюкауф, 1981. – № 7. – С. 20–26.
  6. В.В. Виноградов. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. – К.: Наук. думка, 1989. – 192 с.
  7. Б.А. Картозия., В.А. Пшеничный. Теоретические основы крепления горных выработок крепью регулируемого сопротивления // Специальные способы строительства подземных сооружений и шахт. – М.: МГИ, 1984. – С. 600.
  8. А.В. Быков. Ускорить внедрение крепей регулируемого сопротивления на шахтах Донбасса // Шахтное строительство, 1986. – № 3. – С. 3–8.
  9. В.Г. Горохов. Методологический анализ системотехники. – М.: Радио и связь, 1982. – 160 с.
  10. Терещук Р.Н. Состояние и перспективы применения анкерной крепи //Научный вестник. - 2000. - №2. - С.6-9;