СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОФИЛЕЙ
ДЛЯ ШАХТНОЙ КРЕПИ

Автор: М.Б.Луцкий, В.Я.Кириленко, И.К.Дорожко, А.А.Чичкан, Н.Н.Лигус,В.А. Луценко.

Источник: Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. праць / Ін-т геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. –Дніпропетровськ, 2004. –Вип. 51. - 334 с.

 

Для крепления горных выработок и предотвращения их обрушения в горнодобывающей отрасли применяются стальные рамные крепи. От надёжности работы арочных рамных крепей, в том числе в податливом режиме,зависит безопасность и качество проведения горных выработок, расход металла на устройство крепи. Под податливостью понимают способность конструкции воспринимать нагрузки, возникающие в горном массиве при смещении пород. Стальные рамные крепи изготавливают из специальных желобчатых профилей. Основными показателями профиля являются: несущая способность и технологичность изготовления, как профиля, так и собственно крепи. Решающими факторами являются оптимальные конфигурация и геометрические параметры поперечного сечения при минимальной плотности. Несущая способность профиля характеризуется моментами инерции сечения и моментами сопротивления сечения при изгибе (Wx и Wy) относительно горизонтальной и вертикальной нейтральных осей Х-Х и У-У.

До начала 20х годов прошлого столетия для крепления горных выработок применяли жёсткие стальные рамные крепи, изготовленные из швеллеров, двутавровых балок и рельсов. В процессе эксплуатации, при смещении породного контура, в конструкции крепи возникали значительные деформации, в результате чего крепь разрушалась. При решении этой проблемы специалистами фирмы «Ф.Моль» было предложено жёсткую рамную крепь разделить на несколько элементов, соединённых между собой шарнирами.

В процессе совершенствования конструкции крепи, в 1932 г. специалистами фирмы «Туссейн Хайтцманн» (Германия) было предложено двутавровые балки и рельсы заменить специальными желобчатыми профилями П-образной формы104 - KS/КО (рис.1,а).

Рис.1 – Поперечное сечение профилей KS/КО, ШП (а) и СВП (б)

Применение желобчатых профилей и замковых соединений повысило надёжность и безопасность работы крепи в податливом режиме, уменьшило вероятность её разрушения.

В то же время началась разработка и применение аналогичных профилей на шахтах СССР. Первоначально были разработаны горячекатаные шахтные профили -ШП.

По размерам и прочностным характеристикам, профили ШП были близки к профилям типа KS/KO и обладали общими недостатками. По причине нерацио нального распределения металла в поперечном сечении профиля - массивные и толстые фланцы, расположенные на концах тонких наклонных стенок не обеспечивали требуемую "жёсткость" и прочность конструкции крепи. Кроме того, ограниченный ряд профилей приводил к перерасходу металла. По этим причинам профили ШП не получили широкого распространения.

В начале 70х годов учёные ДонУГИ и УкрНИИМет разработали специальные взаимозаменяемые профили СВП (рис.1,б), которые получили широкое распространение на шахтах бывшего СССР. По своим характеристикам профили СВП превосходили и, до настоящего времени превосходят известные зарубежные и отечественные профили для арочной крепи. В профилях СВП,за счёт перераспределения металла между днищем, стенками и фланцами увеличены прочностные характеристики поперечного сечения. Это позволило повысить надёжность работы конструкции крепи и безопасность эксплуатации горных выработок. При этом был расширен сортаментный ряд профилей, что позволило в зависимости от условий эксплуатации, применять профили различных размеров и массы. Производство СВП в течение длительного времени в условиях сортовых станов Украины и России, в том числе - крупносортного стана "600" АМК, показало их высокую технологичность.

В процессе эксплуатации арочной крепи, изготовленной из профилей СВП были выявлены некоторые недостатки. Вследствие конструктивных особенностей, в узлах податливости не обеспечивалась взаимная фиксация фланцев. По этой причине при увеличении нагрузок в поперечном сечении узла податливости возникали значительные напряжения, под действием которых происходил отрыв днища. При этом верхняя часть арки проваливалась в нижнюю, в резуль тате чего возникала необходимость замены крепи.

В конце 80х годов специалистами ДонУГИ и УкрНИИМет было предложено за счёт изменения конструкции фланцев обеспечить взаимную фиксацию смежных профилей в узлах податливости. Для этого были разработаны профили для крепления горных выработок (КГВ) [1], у которых верхняя поверхность фланцев имела впадины, а нижняя - выступы.

Снабжение фланцев выступами и впадинами должно было обеспечить фиксацию профилей и исключить их относительное смещение в замковых соединениях. В процессе эксплуатации профилей КГВ было установлено, что малые радиусы сопряжения опорных поверхностей выступов и впадин фланцев приводили к интенсивному износу и выработке элементов калибров. При этом, по сравнению с профилями СВП сузился сортаментный ряд профилей КГВ, что не позволяло в зависимости от геологических условий варьировать их размерами и приводило к перерасходу металла. По этим причинам профили КГВ не получили распространения.

Для повышения несущей способности работы крепи авторами [2] были разработаны специальные взаимозаменяемые унифицированные профили (СВПУ), которые по сравнению с известными профилями обладают более высокими прочностными характеристиками. При этом ширина днища равна суммарной толщине фланцев, а угол наклона боковых стенок равен углу, образованному продолжением средних линий стенок профиля и осью симметрии при их пере сечении в центре изгиба (рис. 2,б). По сравнению с профилями СВП, профили СВПУ имеют более массивное и узкое днище, они выше и уже. Вследствие конструктивных особенностей, у профилей СВПУ не благоприятное соотношение высоты к ширине внутреннего участка. Под воздействием усилий прокати притформировании гребнями валков узкого и высокого клина в значительной степени возрастает вероятность их скалывания. Конструкцией фланцев не предусмотрена фиксация профилей в замковых соединениях. По этим причинам, не смотря на более высокие прочностные характеристики, профили СВПУ не получили распространения.

Для повышения надёжности и упрощения соединения внахлёст смежных элементов крепи в узлах податливости, авторами [3] предложены профили, у которых днище выполнено с уступами, расположенными в его углах, боковые стенки - с наклоном внутрь профиля, а фланцы обращены своими рёбрами внутрь к вертикальной оси профиля.

Рис. 2 - Конструкция профилей с фланцами, обращёнными внутрь (а)
и соединение профилей внахлёст (б); профили ПВ (в)

При соединении в узлах податливости профили разворачивают открытой частью в противоположные стороны и вставляют один в другой (рис. 3,б). При этом фланцы одного профиля фиксируются уступами боковых стенок другого профиля, а концы стенок опираются на внутреннюю поверхность уступов.

В конструкции желобчатого профиля ПВ [4], у которого для повышения сопротивления крепи и взаимной фиксации профилей в узлах податливости, верхние поверхности фланцев выполнены с впадинами, а нижние - в виде выступов с опорными гранями. Ширина верхних опорных поверхностей выполняется большей, чем ширина нижних поверхностей, а угол наклона опорных граней к оси симметрии профиля не превышает 45о
(рис. 3,в). В профилях ПВ не усилены участки сопряжения днища и стенок, а возможность деформаций и сколов узких участков, расположенных на верхней поверхности, снижает эффективность фиксации фланцев. Кроме того, малые радиусы сопряжения опорных поверхностей выступов и впадин приводят к интенсивному износу калибров, снижается стойкость, ухудшается технологичность прокатки и надёжность фиксации профилей.

Известна так же конструкция специального профиля, содержащего днище и фланцы, у которого часть внутренней или наружной линии днища, одной из боковых стенок и одного из фланцев выполнены из фрагментов косого прямого кругового конуса. Толщина и длина, как стенок, так и фланцев симметрично расположенных относительно вертикальной оси может быть различной.
Кроме того, толщина стенки может увеличиваться или уменьшаться в направлении от днища к фланцам. а толщина одного фланца может увеличиваться от стенки и края фланца к его середине. В некоторых случаях для увеличения трения внутренняя поверхность профиля выполняется рифлёной.

В последние годы в Германии получили распространение унифицированные лотковые профили V, разработанные фирмой «Туссейн Хайтцманн» [5], имеющие более узкое, утолщённое днище и увеличенную высоту сечения. По своим характеристикам, эти профили уступают профилям СВП, но, вслед-ствие применения легированных марок сталей, а также специальной конструкции замковых соединений, они получили широкое распространение на шахтах Германии, Польши, Чехии и др. Таким образом, конструкции профилей, предназначенных для изготовления арочных крепей, из-за несовершенства конструкции и низких прочностных свойств, не в полной мере соответствуют предъявляемым требованиям.

Сотрудниками кафедры "обработка металлов давлением" ДГМИ и НПЦ
«Геомеханика» совместно с работниками ОАО "АМК", путём оптимизации формы и соотношений размеров элементов был разработан новый профиль для шахтной крепи. При этом особое внимание уделялось повышению надёжности взаимной фиксации фланцев в замковых соединениях, увеличению прочностных характеристик (Wx) участков сопряжения днища с боковыми стенками и всего профиля при минимально возможной линейной плотности. С учётом этих требований разработана конструкция и расширен сортаментный ряд профилей для шахтной крепи, которые получили название "Специальные профили Алчевские" – СПА [6] (рис. 6,а). Профили СПА содержат днище 1, боковые стенки 2, снабжённые фланцами 3. На верхней и нижней поверхностях фланцев расположены впадины 4 и выступы 5, сопряжённые между собой наклонными поверхностями 6 и 7. Для повышения прочностных характеристик участков сопряжения днища с боковыми стенками, днище выполнено переменной толщины, которая увеличивается от плоскости симметрии профиля к участкам сопряжения с боковыми стенками. Кроме того, внутренняя и наружная поверхности днища выполнены криволинейными и вогнутыми, при чём радиус кривизны внутренней поверхности - R1 составляет 0,3-0,34, а радиус кривизны наружной поверхности - R2 составляет 0,92-0,95 высоты профиля. Предложенная конструкция днища, за счёт перераспределения металла в поперечном сечении профиля, позволяет на 9-20% увеличить толщину участков его сопряжения с боковыми стенками. Как установлено исследованиями, момент сопротивления участков сопряжения днища по сравнению с аналогичными профилями СВП увеличился на 18-30%. Увеличение прочности сечения участков сопряжения днища с боковыми стенками позволяет уменьшить вероятность его отрыва при увеличении нагрузок, и повышает надёжность работы крепи в узлах податливости.

Как отмечалось выше, эксплуатационные качества арочной крепи, наряду с прочностными характеристиками определяются фиксацией смежных профилей в узлах податливости. Для повышения надёжности взаимной фиксации профилей в замковых соединениях, за счёт перераспределения металла в поперечном сечении фланцев, их опорные поверхности выполнены по радиусам в виде впадин и выступов расположенных на верхней и нижней поверхностях.
При этом радиусы кривизны опорных поверхностей выступов фланцев составляют 0,34-0,4 горизонтальной проекции ширины фланцев, а радиусы кривизны опорных поверхностей впадин-0,96-0,98 радиусов кривизны опорных поверхностей выступов. Такое соотношение радиусов кривизны опорных поверхностей выступов и впадин, а также выполнение нижней грани фланцев под острым углом к горизонтали, обеспечивает дополнительное трение сопрягаемых поверхностей фланцев смежных профилей в замковых соединениях узлов податливости. Для производства 9 профилеразмеров СПА разработаны технические условия.

Список использованной литературы

1. Зигель Ф.С., Компанец В.Ф. Арочные крепи из новых профилей проката // УгольУкраины.-1992.- №10.-С.59 - 61.
2. Авт.св.СССР № 1348527 А1 МКИ Е21D 11/14 Спецпрофиль /В.Н.Каретников, В.Б.Клеймёнов, А.И.Соколов. Заявл.12.02.86. Опубл. 30.10. 1987.- Бюл. № 40.
3. Авт.св.СССР № 639470 МКИ Е21D 11/14 Стальной профиль / Франц Гантке, Харальд Вальтер и Вальтер Цивитц (ФРГ). Заявл 11.11.1975. Опубл. 25.12.1978. Бюл. № 47.

4. Авт.св.СССР № 1701928 А1 МКИ Е21D 11/14 Желобчатый профиль / В.П.Макаров, И.Б.Ильина, Ю.А.Белоглазов и др. Заявл. 28.02.1990. Опубл. 30.12.1991. Бюл. № 48.

5. Г.Г.Литвинский, Г.И.Гайко, Н.И.Кулдыркаев. Стальные рамные крепи горных выработок. - Киев: - Техника. -1999. -216с.

хника. -1999. -216с.
6. Пат.UA № 45269 А Профiль гарячекатаний для крiплення гiрничих виробок / М.Б. Луцкий, В.Я, Кириченко и др.(UA) Заявл. 28.01.02. Опубл. 15.03.02. Бюл. № 3.

7. А.П.Чекмарёв, М.С.Мутьев и др. Критерии рациональности фасонных профилей проката // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1968.- №6. -С.15 - 19.