Особенности развития геомеханических процессов при системах с креплением выработанного пространства
Системы разработки с креплением выработанного пространства применяют в самых неблагоприятных горнотехнических условиях эксплуатации месторождений ценных руд, когда руда и вмещающие породы неустойчивы, представлены трещиноватымиили слоистыми породами, склонными к деформациям. Обычно в подобных ситуациях основным требованием является высокое извлечение запасов с незначительным разубоживанием.
На практике частокрепление очистных забоев сочетают с закладкой или обрушением выработанного пространства, так как крепь не всегда гарантирует надежного сохранения равновесияподрабатываемых пород.
Поддержание выработанного пространства в системах рассматриваемой группы может осуществляться
· деревянной крепью (деревянные стойки, распорки, крепежные рамы);
· станковой деревянной крепью;
· костровою крепью (деревянной и металлической);
· каменной или бетонной крепью;
· металлическими стойками;
· металлической арочной крепью, в том числе с узлами податливости;
· анкерной крепью;
· механизированными комплексами.
Геомеханические процессы при всех системах разработки с креплением очистного пространства развиваются идентично и, практически, не зависят от вида применяемой крепи.
Управление геомеханическими процессами при этих системах осуществляется выбором вида крепи и расчётом её параметров в соответствии с нагрузками и особенностями деформирования вмещающего массива пород.
Любая крепь, независимо от конкретной конструкции, материалов, способов установки и типа горной выработки, имеет свою механическую характеристику работы.
На рис. 7.3 изображены идеальные характеристики крепей разных типов.
Рис. 7.3. Идеальные характеристики крепей:
1 – нарастающего сопротивления; 2 – постоянного сопротивления; 3 – жёсткая.
Крепи имеют разнообразные конструкции, воспроизводящие данную зависимость между их реакциями R и просадками Δh. Просадками крепи называется уменьшение ее первоначальных линейных размеров, например высоты, под влиянием действия нагрузки, или, говоря иначе, укорочение крепи в направлении действия нагрузки, включая упругие и неупругие деформации крепи или ее рассматриваемой части, элемента.
Это укорочение может обеспечиваться введением специальных конструкций, основанных на использовании принципа трения, на изменении периметра крепи в больших пределах, на сжатии заполнителя закрепленного пространства и т. д.
В общем случае характеристика крепи выражается зависимостью
R = f(λ), (7.3)
где λ — жесткость крепи.
Жесткостью крепи называется отношение приращения реакции крепи к приращению ее укорочения — dh:
λ = dR/dh. (7.4)
Для крепей, имеющих прямолинейные характеристики,
λ = R/Δh. (7.5)
У криволинейных характеристик крепей кривизна обычно невелика, и они могут быть заменены одним-двумя отрезками прямой. Поэтому практически можно рассматривать прямолинейные характеристики.
Отношение (7.5) представляет тангенс угла наклона характеристики крепи к оси укорочений (просадок) крепей:
для прямолинейных характеристик
λ = tgβ = R/Δh; (7.6)
для криволинейных
λ = tgβ = dR/dh. (7.7)
Обратное отношение: приращение просадки крепи к приращению ее реакции, т. е.
δ = tgω = ctgβ = dh/dR = 1/λ , (7.8)
называется податливостью крепи.
Говоря иными словами, податливость крепи определяется тангенсом угла наклона характеристики крепи к оси реакций.
Таким образом, любая крепь обладает одновременно определенной мерой жесткости и податливости.
По величине жесткости все крепи условно можно разделить на три типа:
I тип — 0< λ <∞ — крепи нарастающего сопротивления, у них R = f(λ);
II тип — λ ≈ 0 — крепи равного сопротивления, у них R = const;
III тип — λ →∞ — крепи жесткие, у них R может достигать весьма больших величин и в пределе R →∞.
Примерами крепей, которые практически близки к абсолютно жестким, являются отрезки рельсов, труб, используемые в качестве крепежных стоек, при условии отсутствия у них продольного изгиба и вдавливания в породы кровли и почвы.
Примерами крепей, которые практически близки к абсолютно податливым, являются гидравлические стойки типа ГС, СГС при условии их работы в пределах их раздвижностй и отсутствии вдавливания в породы кровли и почвы.
В общем случае реальные крепи, работающие в шахтных условиях, всегда имеют конечную жесткость. Наиболее распространенными являются крепи нарастающего сопротивления.
Нарастание реакций крепи может обеспечиваться по разному: конструкциями крепи, условиями совместной работы системы «породы — забутовка — крепь». В последнем случае, уплотнения забутовки по мере нагружения приводят ко все большей общей жесткости данной механической системы.
В частности, при установке крепи в выработке между крепью и стенками выработки всегда имеются некоторые неплотности. При нагружении крепи вмещающими породами, по мере возрастания контакта с породами жесткость крепи все более возрастает. В местах контакта начинает развиваться реактивное давление, получившее название усилий отпора, иногда называемых просто отпором. Таким образом, в этот период в системе «порода—крепь» крепь работает в режиме нарастающего сопротивления.
Вместе с тем, в случае использования специальных конструкций (узлов податливости) крепи могут работать в режиме равного или постоянного сопротивления, т.е. как бы уходить от возрастающих нагрузок за счёт дополнительного деформирования и снижения отпора.
Приведенные на рис. 7.3 идеальные характеристики крепей практически не могут реализоваться, поскольку на них накладываются конкретные условия работы, как в лабораториях, так и в горных выработках. Поэтому помимо идеальных существуют заводские (расчетные или паспортные) характеристики и реальные шахтные характеристики.
Если идеальные характеристики отражают лишь принципиальную суть, то заводские — условия работы крепи на испытательных стендах, а реальные характеристики отражают условия работы крепи в забое.
На рис. 7.4 представлены расчетные и реальные характеристики крепи нарастающего сопротивления, а также примеры характеристик крепей, отличающиеся различной жёсткостью.
Рис. 7.4. Характеристики крепей нарастающего сопротивления (а) и примеры характеристик крепей, различающихся жёсткостью (б).
1 – расчётная характеристика, 2 – реальная характеристика. I – IV - характеристики крепей с различной жёсткостью.
Основные параметры этой крепи: жесткость, начальный распор PR, максимальная расчетная просадка Δhmах, максимальная расчетная реакция Rmax (конечное установочное сопротивление) и несущая способность RH (т. е. предел реакции). После исчерпания максимальной просадки крепи ΔhH происходит ее разрушение.
Реальная характеристика этой крепи имеет вид ломаной линии. Такая работа крепи в забое объясняется особенностями ее конструкции, например, скачками трения (для крепей, работающих по этому принципу), а также скачкообразными опусканиями кровли. Кроме того, эта крепь может существенно менять свою жесткость в зависимости от величин ее вдавливания в почву и кровлю.
На рис. 7.4б показаны характеристики I - IV крепей нарастающего сопротивления разной жесткости. Очевидно, при одинаковом опускании кровли Δhi все крепи будут испытывать разные реакции — oт R1 до R4. При некотором значении R произойдет неизбежное раздавливание пород кровли или почвы (или тех и других) или же разрушение крепи.
Реакции одной и той же крепи, имеющей некоторую жесткость λ = tgβ, будут зависеть от начального распора; так как при Р1>Р1’ получим R1>R1’.
Расчетная характеристика крепи постоянного сопротивления (рис. 7.5) имеет вид волнообразной линии и является результатом взаимодействия давления масла в гидросистеме с пружиной регулировочного предохранительного клапана.
Рис. 7.5. Характеристики крепей постоянного сопротивления (а) и примеры характеристик крепей, различающихся величинами рабочих реакций (б).
1 – расчётная характеристика, 2 – реальная характеристика. I – II - характеристики крепей с различной величиной рабочих реакций.
Основные параметры этой крепи: рабочая реакция Rpaб (или рабочее сопротивление), начальная просадка Δhнач, раздвижность Δhmах и начальный распор РН.
При просадках от 0 до Δhнач эта крепь работает как крепь нарастающего сопротивления большой жесткости.
Максимальная рабочая реакция крепи обозначена на рис. 7.5 Rmax, а максимально допустимая реакция после исчерпания раздвижности крепи RН. Реальная характеристика этой крепи имеет вид ломаной линии, что объясняется скачкообразными опусканиями кровли. Эти динамические опускания кровли вызывают гидравлические удары в гидросистеме крепи. Ввиду кратковременности этих нагрузок регулировочный клапан не успевает срабатывать и давление в гидросистеме резко возрастает; в эти моменты могут происходить разрушения отдельных узлов и разрывы корпусов стоек.
На рис. 7.5б показаны характеристики крепей постоянного сопротивления, различающихся величинами рабочих реакций. Как следует из рисунка, при одинаковом опускании кровли крепи будут испытывать разные реакции. При опускании кровли Δh1 крепь с характеристикой 1 будет испытывать реакцию R1 и будет работать в режиме крепи постоянного сопротивления, а крепь с характеристикой 2 будет испытывать реакцию R3>R1 и будет работать в режиме крепи нарастающего сопротивления.
При опускании кровли Δh2 крепи с характеристиками 1 и 2 будут работать в режиме постоянного сопротивления с реакциями R1 и R2 до исчерпания раздвижности. Если опускания кровли достигнут величин предельной раздвижности крепей, то далее крепи начнут работать как жесткие, затем их реакции стремительно возрастут и начнется раздавливание вмещающих пород или разрушение крепи.
Изложенные общие принципы совместной работы крепей разных типов с вмещающими породами дают возможность правильно представить себе различные варианты работы крепей и обосновывать их выбор в конкретных условиях.
На рис. 7.6 представлена схема крепления призабойного выработанного пространства деревянными стойками в сочетании с обрушением пород, причём для регулирования процесса обрушения пород используется деревянная органная крепь.
Рис. 7.6. Схема поддержания выработанного пространства деревянной органной крепью.
Принципиальная схема распределения опорного давления при разработке с креплением очистного пространства деревянными стойками показана на рис. 7.7.
Рис.7.7. Распределение опорного давления при разработке с креплением очистного пространства (стрелкой показано направление отработки).
В общем случае работа деревянной крепи определяется её рабочим сопротивлением Р и податливостью δ (или жёсткостью λ), значения которых зависят от угла падения α рудного тела
Ра = Р0 √cosα(7.9)
δα = δ0 √cosα (7.10)
где Р0, δ0 - необходимое сопротивление и податливость крепи при α=0.
Если породы висячего бока имеют однородное (неслоистое) строение, а горные работы ведутся на глубине, превышающей размер выработанного пространства, то давление на крепь определяется на основании теории свода. В подобном случаестойки рассчитываются на случай наиболее неблагоприятной работы, т.е. в средней части блока. Величины нагрузок Ро и податливости δ0 принимаются на основании давления веса пород, заключенных в объеме свода обрушения. Вследствие того, что в нижней части отрабатываемого блока будут накапливаться руда и отслаивающиеся породы кровли, которые оказывают благоприятное воздействие на состояние выработанного пространства, длябольшей безопасности работ и надежного поддержания очистного пространства в верхней части блокаРа и δα необходимо принимать большими по величине:
Рmax = 0.9÷1.0 Р0; δmax = 0.9÷1.0 δ0, (7.11)
Принимая во внимание,что деревянные стойки (распорки) обычно поддерживаютслабую, склонную к обрушению кровлю, нагрузки на них должны рассчитываться с учетом трещиноватости, а места установки определяться расстоянием между трещинами.
Для случая кососекущей трещиноватости породнепосредственной кровли (рис.7.8) рабочее сопротивление стоек можно определить по формуле, рекомендованнойВНИМИ для угольных пластов:
Рис. 7.8. Схема к определению рабочего сопротивления стоек при трещиноватой слоистой непосредственной кровле:
1 - выработанное пространство; 2 - стойка; 3 - целик; 4 - непосредственная кровля; 5 – порода-мост.
cos (α – γ) – φ sin(α – γ)
Ра = Р0 --------------------------------(7.12)
√cosα (cos γ - φ sin γ)
где γ - угол междудиагональнымитрещинами и нормалью к пласту; φ - коэффициент внутреннего трения пород.
Из формулы (7.12) следует, что с увеличениемугла паденияα давление на крепь Ра уменьшается. Если α =90°, то крепь испытывает только горизонтальные нагрузки от бокового распора пород. Величина напряжений боковогораспораможет быть определена аналитическими методами или оценена экспериментально.
На случай подвижкипород висячего бока и лучшего восприятия нагрузок со стороны висячего бока крепь-распорки рекомендуетсяустанавливать с отклонением от нормали (по восстанию) на 6-100во избежание их выпадения. Для обеспечении совместной работы пород и крепинеобходимо тщательное расклинивание распорок со стороны лежачего и висячего боков, а для предотвращения вывалов - затяжка обнажений висячего бока.
При разработке крутопадающих месторождений системами с креплением деревянная распорная крепь обычно применяется в том случае, когда ширина очистного пространства не превышает 2,0-2,5 м. При большей ширине очистного пространства предпочтительна установка анкерной крепи.
В условиях крутопадающих месторождений характерным для систем с креплением является работа в очистных забоях с крепи, устанавливаемой по мере выемки руды. При этом приходится учитывать деформирование пород окружающего массива, что проявляется в сближении стенок очистных выработок.
В качестве примера рассмотрим горнотехническую ситуацию, которая сложилась при разработке медно-никелевого месторождения Ниттис-Кумужье-Травяная (Кольский полуостров).
Месторождение представлено свитой тонких крутопадающих жил, залегающих в массиве ультраосновных пород – перидотитов и пироксенитов. Длина различных жил по простиранию неодинакова и колеблется в пределах от 100 до 1400 м. Протяжённость в глубину изменяется от 30 до 440 м. Мощность жил непостоянна: варьирует в пределах от нескольких сантиметров до 2-3 м и составляет преимущественно 0.2-0.3 м.
Разработка месторождения проводилась с применением двух систем: системы с распорным креплением и системы с магазинированием руды. Преимущественное применение на руднике имела первая система, её удельный вес составлял 90%. Система с магазинированием руды применялась лишь на отдельных участках, главным образом в условиях, когда нельзя было обеспечить достаточно малую ширину очистного пространства, например, на участках раздувов или разветвления жил.
Максимальная глубина разработки достигала 440 м, высота этажа – 40 м, длина блоков по простиранию составляла обычно 60 м.
На рис.7.9 приведена типовая схема блока, разрабатываемая системой с распорным креплением. Очистная выемка осуществляется потолкоуступным забоем, лентами шириной 2 м. При разработке обычно производится прирезка боковых пород с тем, чтобы ширина рабочего пространства составляла 0.9-1.1 м.
Рис. 7.9. Типовая схема очистных работ в блоках на руднике Ниттис-Кумужья.
Узел I – погашение потолочины при значительном горном давлении;
Узел II – блоковый восстающий в плохих горногеологических условиях (крепление разрушено, значительные вывалы породы со стенок восстающего).
В последние двадцать лет работы рудника по большинству блоков после их отработки и зачистки производилась частичная закладка выработанных пространств пустыми породами от проведения капитальных и подготовительных выработок.
Потери полезного ископаемого составляли около 3%, причём в последние годы вследствие ухудшения условий разработки и интенсификации проявлений горного давления потери возросли до 4-5%.
В рассматриваемых условиях одним из основных видов проявлений горного давления являлось сближение (конвергенция) стенок блоков и подготовительных выработок по мере развития очистных работ и образования выработанного пространства. В результате происходили поломки стоек распорной крепи в блоках, нарушения крепи и завалы подготовительных выработок.
Специальными комплексными инструментальными исследованиями были установлены основные закономерности развития указанных процессов. На рис. 7.10 приведены типичные графики сближений и
Рис. 7.10. Сближение и скорости сближения парных реперов в штреке гор. +102 м по жиле 18 (рудник Ниттис-Кумужье, глубина от поверхности 210 м).
скоростей сближений одной из пар реперов в штреке на глубине от поверхности 210 м. Сближение началось в апреле 1955 г., когда высота потолочины составляла 12-14 м. При этом характерно, что верхний блок не был ещё полностью отработан. В июне 1955 г. Одновременно были отбиты потолочины верхнего и нижнего блоков. Высота пролёта выработанного пространства по падению достигла 220 м. Максимальные скорости сближения в этот период составляли около 7 мм/мес. В 1958 г. на рассматриваемом участке начались деформации породной толщи между жилами 18 и 33, и в связи с этим наблюдался значительный рост интенсивности процесса сближения; скорость сближения возросла до 11 мм/мес. Конечная величина сближения достигла в рассматриваемом случае 210 мм.
Необходимо отметить, что при этом наблюдалось качественное изменение характера деформирования пород. В частности, если образцы ультраосновных пород - пироксенитов и перидотитов, включающие структурные неоднородности только четвертого порядка, практически деформируются упруго вплоть до разрушения (рис. 7.11, а), то по мере увеличения области деформирования отчетливо начинают проявляться вязкие свойства массива, поскольку процесс постепенного сближения боков очистного пространства блоков – типично временной процесс вязкого деформирования (рис. 7.11, б).
Рис. 7.11. Характер деформирования ультраосновных пород в зависимости от размеров деформирующихся объемов.
а - упругое деформирование образцов диаметром 40 мм (ОА - нагружение; AБ - разгрузка); б - развитие деформаций (сближения) стенок выработки u во времени t (1 - сближение реперов над выработанным пространством вертикального очистного блока высотой 40 м; 2 - то же, под выработанным пространством очистного блока).
В таблице 7.1 приведены сводные данные о параметрах процесса сближения боковых пород на участках полного его развития, они позволяют оценить степень максимального уплотнения закладки в выработанном пространстве.
Параметры процесса сближения боковых пород и степень уплотнения закладочного массива в выработанном пространстве
(рудник Ниттис-Кумужье).
Таблица 7.1.
| №№ жил | Глубина, м | Ширина очистного пространства, м | Конечная величина сближения, мм | Наибольшая скорость сближения мм/мес | Продолжительность процесса сближения, год | Коэфф. уплотнения закладки |
| 0.87 | 4.8 | 5.8 | 0.86 | |||
| 0.90 | 5.8 | 4.7 | 0.79 | |||
| 1.20 | 13.6 | 6.0 | 0.80 | |||
| 0.93 | 13.8 | 6.2 | 0.80 | |||
| 1.20 | 4.9 | 5.5 | 0.90 | |||
| 1.40 | 11.3 | 4.0 | 0.87 | |||
| 1.03 | 10.8 | 6.0 | 0.78 |
Из данных табл.7.1 следует, что максимальное уплотнение достигало 22%. Конечная величина сближения на всех участках, где были проведены наблюдения, не превышала 250 мм. Процесс сближения боков выработанного пространства от начала и, практически, до полного затухания продолжался более 6 лет.
Однако, самым информативным параметром является скорость сближения, впоследствии были установлены критические значения скоростей (среднее значение ≈ 20 мм/мес), при которых массив пород, вмещающий блок, терял устойчивость и очистные работы продолжать становилось небезопасно.
На рис 7.12. представлена схема поддержания призабойного выработанного пространства деревянными рамами и кострами в сочетании с обрушением пород.
Рис. 7.12. Схема поддержания выработанного пространства деревянными рамами и костровой крепью.
В случае поддержания очистного забоя крепежными рамами рассчитываются не только стойки, но и верхняки. Расчеты целесообразно проводить для наиболее тяжелых условий работы крепи (на границе свыработанным пространством).
Рассмотрим случай разработки горизонтально залегающего месторождения, когда для обеспечения безопасности работ в призабойной зоне устанавливаются неполные крепежные рамы, которые по мере продвижения забоя постепенно погашаются вместе с обрушением пород. На рис. 7.16 показаны крепёжные рамы в трех отрабатываемых заходках.
Рис 7.13.Схемак расчету крепёжной рамы в заходке (а), эпюры действующих нагрузок (б), изгибающих моментов (в) на верхняк крепёжной рамы:
1, 2, 3 - заходки; 4 - массив руды- 5 - контур предполагаемого самообруше-ния.
Давление на крепежные рамыбудет возрастать в направлении от рудного массива к выработанному пространству, и поэтому каждая стойка и верхнякбудут испытывать различные напряжения и деформации. В нашем случае в наиболее тяжелых условиях будет находиться заходка 1, предназначенная для очередного погашения. Основные работы по добыче полезного ископаемого (бурение, доставка) сосредотачиваются в заходке 3и поэтому ее креплениедолжно быть наиболее надежным.
Размеры отдельных элементов крепежных рам определяют на основании конкретных условий напряженного состояния вышележащих пород. Для этого опытным путем или расчётами определяют нагрузки на стойки и верхняк крепежной рамы, на основаниикоторых методами строительной механики рассчитывают их диаметры.
Диаметр верхняка dвыбирают на основании момента сопротивления W круглого леса по формуле
W = π d3 / 32 ≈ 0.1 d3,(7.13)
откуда d = 2.15 W1/3.
Зная, что максимальное сопротивление изгибу σизг = Мmax/W (где Мmax - максимальный изгибающий момент), можно, преобразуя (7.6) выразить d:
d = 2.15 (Мmax / σизг)1/3.(7.14)
Если учесть коэффициент запаса прочности крепежного материала Кз , то формула (7.7)будет иметь следующий вид
d = 2.15 (Мmax Кз / σизг)1/3.(7.15)
Коэффициент запаса прочностиобычно принимают равным 1.5÷2.0.
Максимальный изгибающий момент определяется в зависимости от распределения нагрузки на верхняк:
при равномерно-распределённой нагрузке q на пролете l :
Мmax = q l2 /8;(7.16)
при различных усилиях на стойки со стороны рудного массива и выработанного пространства Р1 = q1 b и Р2= q2 b (b — расстояние между крепежными рамами):
P1 l02 l03
Мmax = R1 l0 - ------- - ----- (Р2 – Р1),(7.17)
26 l
где R1 - реактивное усилие: R1 = l0 (Р2 + 2Р1) / 6,
l0 - расстояние от стойкикрепежной рамы до точки максимального прогиба верхняка
l √[Р12 + (Р2 – Р1) (Р2 + 2Р1) / 3]
l0 = -----------------------------------------. (7.18)
Р2 – Р1
В формулах (7.10) и (7.11) Р1 = q1 b и Р2 = q2 b - соответственно усилия на стойки со стороны рудного массива и выработанного пространства; q1 и q2 - действующие напряжения на стойки; b — расстояние между крепежными рамами.
Величину Мmax определяют по формулам(7.17) и (7.18), затем, подставивв формулу (7.14), находят диаметр верхняка. Стойки принимают такого же диаметра, как верхняк, но предварительно проверяют на прочность при большем осевом усилии Р2. Если Р2≤ [σсж] Sст(где [σсж] - сопротивление материала стойки на сжатие; Sст - площадь сечения стойки), то стойка будет устойчивой.
Верхняки в заходках 1 и 2 (см. рис. 7.13) будут нагружены равномерно-распределенной нагрузкой и расчеты Мmaxможно вести по формуле (7.16); значение q может быть значительно выше, чем q1 и q2.В результате крепежные рамы, принятые ранее для заходки 3,будут деформироваться, что и наблюдается на практике.
Каменная крепь применяется в виде искусственных опор или полос из бутового камня на песчано-цементном растворе.- Отдельные столбы - опоры возводятся и в очистных забоях по мере подвигания работ, полосы выкладываются взамен междублоковых и междуэтажных целиков до начала отработки блока или с некоторым опережением. Материал и размеры каменных опор выбираются на основании конкретных горно-геологических условий. Из-за трудности механизации работ и больших объемов ручного труда возведение каменной крепи требует значительных экономических затрат. Поэтому этот вид поддержания наибольшее распространение получил при отработке жильных месторождений ценных руд или опасных по горным ударам (Индия, Южная Африка) При больших объемах работ по креплению этот способ поддержания становится нецелесообразным, и его заменяют закладкой выработанного пространства.
Для крепления очистных забоев может также применяться индивидуальная металлическая крепь - металлические стойки и различного типа передвижные механизированные комплексы.
Индивидуальная крепь металлическая, горная крепь очистных забоев, предназначена для поддержания кровли пласта в рабочем пространстве. Перемещение крепи по мере подвигания забоя производится с полной или частичной разборкой на несущие и поддерживающие элементы (стойки и верхняки).
Индивидуальная крепь (рис.7.14) подразделяют по назначению на призабойные (устанавливают и перемещают вручную) и посадочные, которые перемещают вручную или с помощью приспособлений - лебёдок и гидродомкратов и устанавливают вручную или гидравлическими устройствами.
Рис.7.14. Индивидуальная крепь:
а — призабойная; б — посадочная.
Призабойные стойки различают по рабочей характеристике:
· постоянного полого - и крутонарастающего сопротивления;
· по механизму податливости — стойки трения и гидравлические.
Сопротивление стойки трения опусканию кровли обеспечивается за счёт сил трения в замке стойки. Гидравлическая стойка состоит из корпуса, выполненного в виде цилиндра, и выдвижной части, играющей роль плунжера. Конструктивно стойки этого типа могут быть выполнены с замкнутой гидросистемой и с внешним питанием рабочей жидкостью. Изготовляют стойки с замкнутой гидросистемой (рабочая жидкость — минеральное масло) и с внешним питанием (водомасляные эмульсии).
Призабойные стойки применяют на пластах с углом падения до 35°. Стойки трения изготавливаются нескольких типоразмеров для пластов мощностью от 0,5 до 3,2 м с сопротивлением от 150 до 300 кн (15—30 тс) и массой от 11 до 75 кг.
Выпускаемые гидравлические стойки имеют предельное сопротивление от 150 до 250 кн (от 15 до 25 тс), наибольшая их высота — от 790 до 3300 мм, раздвижность — от 170 до 800 мм, масса — от 16 до 85 кг.
Стойки призабойной крепи при необходимости комплектуются сменными опорами для снижения удельного давления на почву. Некоторые виды стоек выпускаются с устройством для дистанционной разгрузки, усилие которой должно быть не более 800 и (80 кгс).
Из верхняков наиболее прогрессивные — шарнирные жёсткого или рессорного типов. Шарнирный верхняк — сварная, штампованная или литая балка из стали или алюминиевого сплава длиной 600 — 1400 мм, высотой около 100 мм, массой 13—32 кг. Допустимая нагрузка на консоль шарнирного верхняка от 10 до 30 кн (1—3 тс).
Костровая крепь устанавливается в очистных забоях при управлении кровлей способом обрушения и плавного опускания пород. Она состоит из костров (клетей) квадратной или прямоугольной формы, выкладываемых из деревянных стоек (рис.7.15 а), брусьев или металлических балок и рельсов (рис.7.10 б); иногда для усиления конструкции костёр внутри заполняется породой.
Рис. 7.15. Костровая крепь.
а – деревянная; б – металлическая.
Анкерная крепь в очистных выработках обычно устанавливается по сетке от 1x1 до 2x2, 2x2,5 м. Длина анкеров выбирается с таким расчетом, чтобы можно было надежно укрепитьнедостаточно устойчивую непосредственную кровлю или породы висячего, а иногда и лежачего боков рудного тела, и закрепить концы анкеров в устойчивой части пород, На практике длина анкеров бывает от 1.0—1,5 м до 2,0-2,5 м. В зависимости от ширины очистного пространства анкеры делают сплошнымиили составными.
Весьма широко в настоящее время в длинных очистных выработках (лавах) применяют механизированные крепи (комплексы) - установка, разгрузка и перемещение которых вслед за подвигающимся забоем осуществляются механизированным способом, без разборки их на составляющие элементы. Механизированная крепь применяется главным образом на угольных шахтах; вместе с горным комбайном, забойным конвейером и крепями сопряжения лавы со штреками.
Механизированные крепи образуют выемочные комплексы или агрегаты, обеспечивающие механизацию всех основных рабочих процессов в очистном забое. Создание конструкций механизированных крепей современного вида относится к середине 50-х г.г.
Механизированную крепь делят:
· по функциям взаимодействия с боковыми породами на поддерживающие, оградительные, оградительно-поддерживающие и поддерживающе-оградительные;
· по конструктивной схеме взаимодействия секций – на секционные, комплектные и агрегатированные.
Крепи поддерживающего типа (рис 7.16а) предназначены для предотвращения обрушения кровли в пределах рабочего пространства очистной выработки.
Рис. 7.16. Механизированные крепи
а,б,в,г – соответственно поддерживающего, оградительного, поддерживающе-оградительного и оградительно-поддерживающего типов.
1 – гидростойки; 2 – перекрытие; 3 – основание; 4 – оградительное перекрытие.
Секции их состоят из перекрытия (от двух до шести опорных гидравлических стоек), основания и одного или двух гидродомкратов передвижения. Призабойная зона лавы поддерживается перекрытиями секции консольно. По длине перекрытие сплошное или состоит из двух и более звеньев, соединённых шарнирами, чем обеспечивается лучший контакт его с неровной поверхностью кровли. Крепи поддерживающего типа применяют в основном на пластах мощностью до 2 м, реже - до 3,5 м.
Схема для определения удельной нагрузки на секции механизированных крепей поддерживающего типа представлена на рис. 7.17.
Рис. 7.17. Схема для определения удельной нагрузки на секции механизированных крепей поддерживающего типа
Q - нагрузка на секцию крепи от веса деформирующихся пород, кН/м2; mmax - максимальная мощность пласта, м; l - длина блока пород, нагружающего крепь; lз – длина зависающей консоли пород за крепью, м; lп – длина поддерживающей части секции крепи, м;r – расстояние от козырька крепи до забоя, м; r1 – глубина захвата комбайна.
Каждая секция крепи несёт нагрузку от блока пород с размерами:
Ширина – равна шагу установки секций крепи;
Высота – равна четырёхкратной мощности пласта (установлена экспериментально).
Удельная нагрузка на крепь определяется по формуле:
4g γср mmax4000 σи mmax
Q = --------------- х (lп + lз + r + r1 +√------------------ ) кН/м2, (7.19)
lп3g γср
где g – ускорение свободного падения; γср – средняя плотность пород кровли, т/м3; σи – прочность пород кровли на изгиб, МПа.
Крепи оградительного типа испытывают только нагрузку, передаваемую обрушенными породами, защищая рабочее пространство ограждающими перекрытиями (рис. 7.16б). Эти крепи не нашли широкого распространения.
Механизированная крепь оградительно-поддерживающего и поддерживающе-оградительного типов имеют элементы, выполняющие функции поддержания кровли и защиты рабочего пространства от обрушающихся пород.
Крепи поддерживающе-оградительного типа (рис 7.16в) поддерживают кровлю на большей ширине рабочего пространства, чем крепи оградительно-поддерживающего типа (рис 7.16г); секция имеет 2-3 гидростойки, что обусловливает возможность применения её в лавах с труднообрушающейся основной кровлей при слабой непосредственной кровле Оградительная часть выполняется в виде прочного наклонного перекрытия. Эти крепи применяют в большинстве случаев на пластах мощностью от 1,6 до 3,5 м.
Секции крепи оградительно-поддерживающего типа имеют прочное наклонное ограждающее перекрытие и относительно короткий козырёк, поддерживающий кровлю на небольшой ширине у забоя с помощью одной стойки. Крепи применяют при легко обрушаемых основных и слабых породах непосредственной кровли на пластах мощностью 2-3,5 м.
Механизированные крепи, секции которых не имеют постоянных кинематических связей между собой и с другим оборудованием лавы, называются секционными. Вследствие большой трудоёмкости передвижки и установки секционные крепи не нашли широкого применения.
Комплектные крепи состоят из комплектов, включающих две и более кинематически связанных между собой секций. Комплекты крепи не имеют связей между собой.
Секции агрегатированной крепи имеют постоянную кинематическую связь с базовым элементом очистного комплекса - ставом конвейера, направляющей рамой выемочной машины или специальным базовым элементом. Гидродомкратами передвижения снабжаются все или часть секций агрегатированной крепи. Наличие постоянной связи с базой и, как правило, направленное движение являются благоприятными предпосылками для дистанционного и автоматизированного управления всем комплексом оборудования очистного забоя. Агрегатированные крепи считаются наиболее перспективными. Управление гидроприводом и гидросистемой механизированной крепи производится с кнопочных постов, устанавливаемых в лаве через 5-8 м или с центрального пульта, расположенного в штреке.
За рубежом развитие механизированной