автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Определение рациональных параметров жестких межрамных связей, повышающих сопротивление металлической крепи кручению

ПРЕДИСЛОВИЕ.

1. АНАЛИЗ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРОЯВЛЕНИЯ ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА КРЕПИ. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Вводные замечания.

1.2. Аналитические методы/ определения нагрузок на крепь. II

1.3. Анализ экспериментальных данных по замерам нагрузок на крепь горных выработок.

1.4. Анализ методов расчета крепи.

1.5. О профилях проката, применяемых для изготовления крепи горных выработок.

1.6. О расчете крепи, усиленной межрамными поперечными связями.

1.7. Основная идея, цель, задачи и методы исследования. . 32 ВЫВОДЫ.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ НА ЭВМ НАПРЯЖЕННО-ДЕЗЖ)РШРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КРЕПИ, УСИЛЕННОЙ ЖЕСТКИМИ МЕЖРАМНЫМИ ПОПЕРЕННЫМИ СВЯЗЯМИ.

2.1. Вводные положения.

2.2. Уравнения внутренних сил и перемещений конечного элемента крепи с осью, очерченной по дуге окружности малой кривизны, усиленного жесткими межрамными связями

2.3. Уравнения совместности перемщений элемента крепи и жестких межрамных связей.

2.4. Расчетная модель 1фепи, усиленной жесткими межрамными связями.

2.5. Анализ несущей способности кольцевой металлической крепи при пространственном нагружении

2.6. Определение рациональных параметров жестких межрамных связей путем математического моделирования.

ВЫВОДЫ.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЬЦЕВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕПЕЙ, УСИЛЕННЫХ ЖЕСТКИМИ МЕЕРАМНЫМИ ПОПЕРЕЧНЫМИ

СВЯЗЯМИ.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Стендовые испытания кольцевой крепи, усиленной межрамными связями.

3.3. Стендовые испытания кольцевой податливой крепи с пологим лежнем, усиленной жесткими межрамными связями.

ВЫВОДЫ.

4. ШАХТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЬЦЕВОЙ КРЕПИ КПК-ПЛ-15,

УСИЛЕННОЙ ЖЕСТКИМИ МЕЖРАМНЫМИ СВЯЗЯМИ.

4.1. Вводные положения.

4.2. Исследование нагрузок на крепь.

4.3. Исследование смещений пород.

4.4. Исследование работы податливых соединительных узлов.

4.5. Исследование деформаций элементов крепи.

ВЫВОДЫ.

Основные выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1. Установлено, что в сложных условиях металлическая крепь теряет устойчивость до исчерпания ее податливости вследствие пространственной изгибно-крутильной деформации, что объясняется слабым сопротивлением крепи кручению, которое можно повысить путем применения жестких межрамных связей.

2. Подучены уравнения внутренних сил и перемещений тонкостенного элемента кольцевой крепи малой кривизны, усиленного жесткими межрамными связями, а также необходимые уравнения совместности перемещений элемента и связей. При этом подучены функции влияния внутренних сил и перемещений, необходимые для расчета по пространственной схеме крепи массивного поперечного сечения.

3. Составлена математическая модель и программа для расчета на ЭВМ крепи из элементов с осью в виде окружности, усиленной жесткими межрамными связями.

4. В результате математического моделирования для кольцевой крепи получены зависимости максимальных касательных напряжений в крепи от количества межрамных связей, их жесткости и длины, позволяющие конструировать крепь с жесткими межрамными связями.

5. На основе разработанной методики расчета определены рациональные параметры жестких межрамных связей для усиления крепи КПК-ПЛ-15, широко применяемой в Подмосковном угольном бассейне.

6. Лабораторные исследования кольцевых крепей постоянной жесткости и с пологим лежнем, как неусиленных, так и усиленных жесткими межрамными связями, подтвердили корректность принятых теоретических положений и правильность полученных аналитических зависимостей. Отличие расчетных величин от экспериментальных было не более 20 %.

7. В результате производственных испытаний усиленной крепи КПК-Ш1-15М, проведенных на шахте "Липковская" производственного объединения "Тулауголь", подтверждена высокая эффективность использования жестких межрамных связей для повышения несущей способности металлической крепи из тонкостенных элементов открытого профиля. По сравнению с неусиленной крепью КПК-ПЛ-15 предложенная конструкция имеет коэффициент повторного использования в 1,56 раза больше за счет повышения ее сопротивления кручению. Установка жестких межрамных связей обеспечила уменьшение: максимальных углов закручивания поперечных сечений элементов крепи в 3 раза; коэффициента неравномерности распределения нагрузки по контуру крепи в 1,95 раза; смещений породного контура в 1,3 раза.

8. Внедрение усиленной крепи КПК-ПЛ-15М на шахте "Липковская" производственного объединения "Тулауголь" позволило получить экономический эффект 17,3 руб. на I метр выработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получено новое решение актуальной научной задачи повышения устойчивости металлической крепи путем применения повышающих ее сопротивление кручению жестких межрамных связей на основе исследования силовых факторов и перемещений произвольно нагруженной крепи при различных параметрах межрамных связей.

1. Айталиев Ш.М. Исследование работы обделки напорного тоннеля кругового очертания под действием неустановившегося горного давления. В кн.: Реологические вопросы механики горных пород. Алма-Ата, АН КазССР, 1964, с.

2. Ацусин Б.З. Статический расчет конструкции станции метроа»политена методом начальных параметров. Труды/ВНИМИ, вып. 67, Л., ВНИМИ, 1967.

3. Ацусин Б.З., Фадеев А.Б. Метод конечных элементов при решении задач горной геомеханики. М.: Недра, 1975.

4. Ардашев К.А., Ахматов В.И., Катков Г.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления. М.: Недра, 1981.- 127 с.

5. Архангельский М.М., Джинчарадзе Д.И., Курисько A.C. Расчет тоннельных обделок. М.: Трансжелдориздат, I960. - 344 с.

6. Баклашов Н.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. М.: Недра, 1979. - 263 с.

7. Басинский Ю.М., Иванов Е.А. Исследование проявлений горного давления в глубоких шахтах Донбасса. Проектирование и строительство угольных предприятий, 1967, W 4, с. 48-52.

8. Басовская A.M. К вопросу методики исследования работы крепей подготовительных выработок в натурных условиях. Вопросы горного давления, СО АН СССР, 1965, вып. 13.

9. Беркина С.Н. Расчет обделки тоннеля произвольного очертания. Строительная механика и расчет сооружений, I960, № 5, с. 14-21.

10. Борисов A.A. Давление на крепь горизонтальных выработок- М.-Л.: Углетехиздат, 1948. 104 с.

11. Бреднев В.А. Исследование предельных состояний крепи горных выработок. Дис. .канд.техн.наук. - Тула, 1976. - 192 л.

12. Булычев Н.С., Амусин В.З., Оловянный А.Г. Расчет крепи капитальных горных выработок. М.: Недра, 1974. - 320 с.

13. Взаимодействие массивов горных пород с крепью вертикальных выработок/Г.А.Крупенников, Н.С.Булычев, А.М.Козел, Н.А.Филатов. М.: Недра, 1966. - 314 с.

14. Виноградов Б.Н. Опыт измерения давления горных пород на тоннельные обделки месс дозами. В кн.: Сборник статей ЦНИИС, М., Трансдориздат, 1959, * 31.

15. Временные указания по охране и рациональному расположению подготовительных выработок на шахтах Подмосковного угольного бассейна. Л.: ВНИМИ, 1971. - 26 с.

16. Гелескул М.Н., Усан-Подгорнов Б.М. Исследование сдвижения пород и работы податливой крепи в полевых горизонтальных выработках глубоких шахт. Шахтное строительство, 1968, * 8,с. 6-10.

17. Гелескул М.Н., Усан-Подгорнов Б.М. Исследования условий работы крепи и разработка основных направлений совершенствования крепления и поддержания подготовительных выработок шахт Подмосковного бассейна. Отчет/ЙГД им. Скочинского, 1961. - 52 с.

18. Гелескул М.Н., Киселев Е.С. Конструирование и расчет железобетонных рамных крепей. М.: Госгортехиздат, 1961. - 248 с.

19. Давыдов С.С. Расчет и проектирование подземных конструкций. М.: СтроЙиздат, 1950. - 376 с.

20. Давидович И .Л. Работы БНИШ по исследованию проявлений горного давления в капитальных выработках глубоких шахт Донбасса. В кн.: Исследование проявлений горного давления на глубоких горизонтах шахт. Л., ВНИМИ, 1971, с. 34-43.

21. Денисов В.М. Определение грузонесущей способности кольцевой металлической крепи. Проектирование и строительство угольных предприятий, 1968, * П-12, с. 35-38.

22. Джапаридзе Л.А. Расчет металлической крепи горных выработок. М.: Недра, 1975. - 189 с.

23. Динник А.Н. Давление горных пород и расчет крепи вертикальной шахты. Инженерный работник, 1966, № I, с. 23-27.

24. Долгун А.И. Степень влияния межрамных стяжек на несущую способность крепи: Науч.-техн.реф.сб./ЦНИЭИуголь ЦБНГИ Мин-углепрома УССР, 1978, * I, с. 7-9.

25. Ержанов Ж.С. Теория ползучести горных пород и ее приложения. Алма-Ата: Наука, 1964. - 175 с.

26. Ержанов 2.С., Розовский М.И. Изучение напряженного состояния вблизи незакрепленного шахтного ствола с учетом ползучести горных пород. Известия вузов, горный журнал 1960, № 4, с.

27. Ержанов Ж.С. Наследственная ползучесть горных пород иее влияние на распределение напряжений вблизи закрепленного шахтного ствола. Вестник АН КазССР, 1959, № 7, с.

28. Еганов В.М. Исследование несущей способности и совершенствование конструкций крепи подготовительных выработок с использованием ЭВМ (применительно к условиям Подмосковного бассейна). -Дис. .канд.техн.наук. Тула, ТЛИ, 1974. - 240 л.

29. Заславский Ю.З. Вопросы крепления капитальных горных выработок глубоких шахт в Донбассе. М.: ЦНИИТЭИ, 1963. - 73 с.

30. Зицер Н.С. Исследование работы сборной железобетонной крепи в условиях шахт Никополь-Марганцевского бассейна. Труды /НИГРИ, М., Госнаучтехиздат. 1962, »4. е. '

31. Каретников В.Н. Исследование несущей способности и совершенствование конструкций шахтных крепей. Дис. .докт. техн.наук. Тула, 1975. - 481 л.

32. Каретников В.Н., Прохоров Н.И. Метод определения величины горного давления на крепь по замеренной конвергенции точек ее контура. В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула, ТЛИ, 1976, с. 48-56.

33. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Соколов А.И. Расчетная модель напряженно-деформированного состояния кольцевой крепи, усиленной жесткими межрамными связями. ЦНИЭИуголь, деп. № 2567, 1983, * 2.

34. Каретников В.Н., Поляков Б.А., Соколов А.И. Исследование работы металлической крепи, усиленной межрамными и деплана-ционными связями. В кн.: Проблемы механики подземных сооружений: Тез. докл. П Всес.науч.конф. Тула, 1982, с. Х82, 183.

35. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Соколов А.И. Экспериментальные исследования кольцевой крепи, усиленной межрамными связями. В кн.: Механика подземных сооружений. Тула, 1982,с. 5-9.

36. Катков Г.А. Совместная работа крепи подземных выработок и окружающих горных пород. Шахтное строительство, 1962, » 10, с. 9-И.

37. Кацауров И.Н. Некоторые задачи по механике горных пород и расчетам крепи. М.: МГИ, 1968.

38. Качарава Г.Г., 1Ъеушев П.И. О профилях проката, применяемых для крепи подготовительных выработок. В кн.: Научные сообщения. Вып. 25. Горное давление и крепление. М., 1965, с. 8999. (ИГД им. А.А.Скочинского).

39. Клейменов В.Б., Каретников В.Н., Синкевич Б.И. Инвентарная металлическая крепь для выемочных штреков: Науч.-техн. реф. с б./

40. ЦНИИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1982, № 4, с. 29-31.

41. Клейменов В.Б. Исследование несущей способности крепи горных выработок при сложных нагрузках. Дис.канд.техн.наук.- Тула, 1970. 132 с.

42. Клейменов В.Б., Поляков Б.А. Обобщенная расчетная модель крепи из тонкостенных элементов открытого профиля, усиленных би-моментными связями. В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула, ТПИ, 1981, с. 116-125.

43. Клейменов В.Б. Расчет крепи из тонкостенных элементов открытого профиля, усиленных межрамными поперечными связями. В кн.: Механика подземных сооружений. Тула, 1982, с. 79-82.

44. Клейменов В.Б. Универсальные уравнения внутренних сил и перемещений крепи из тонкостенных элементов открытого профиля.- В кн.: Механика подземных сооружений, Тула, ТПИ, 1982, с. 42-57.

45. Комиссаров М.А. Улучшение состояния и снижение трудоемкости поддержания подготовительных горных выработок. В кн.: Производительность труда в угольной промышленности: Тез. докл. Всес.конф. М., Недра, 1974.

46. Кузнецов Г.Н. Изучение проявлений горного давления на моделях. М.: Углетехиздат, 1969.

47. Лабасс A.A. Давление горных пород в угольных шахтах.- В кн.: Вопросы теории горного давления. М., Госгортехиздат, 1961, с. 59-164.

48. Лехницкий С.Г. Теоретическое исследование напряженийв упругом анизотропном массиве вблизи подземной выработки эллиптического сечения. Труды/ВНИМИ, сб. 45, Л., БНИШ, 1962, с. 155-193.

49. Либерман Ю.И. Давление на крепь капитальных выработок. М.: Наука, 1969. - 119 с.

50. Либерман Ю.М. К вопросу о расчете оптимальных параметров крепей капитальных выработок. В кн.: Проблемы механики горных пород. Алма-Ата. Недра, 1968, с. 243-248.

51. Методические положения по выполнению научно-исследовательских работ. Л.: ВНИМИ, 1972. - 52 с.

52. Методические указания по статистической обработке и анализу результатов исследований проявлений горного давления. Л.: ВНИМИ, 1976. - 166 с.

53. Насонов Л.Н. Механика горных пород и крепление горных выработок. М.: Недра, 1969. - 330 с.

54. Насонов Л.Н., Моцкин И.А., Костава И.М. Экспериментально-аналитический метод выбора параметров кольцевой крепи. В кн.: Устойчивость и крепление горных^выработок, вып. 2. Л., ЛГИ, 1976, с. 59-61.

55. Насонов И.Д. Моделирование горных процессов. М.: Недра, 1978. - 256 с.

56. Орлов В.В. Рациональные крепи для капитальных выработок глубоких шахт. В кн.: Разработка угольных пластов на больших глубинах. - М.: Недра, 1965, с. 144-148.

57. Орлов В.В., Янчур A.M., Бабичев Н.С. Проведение и крепление горных выработок. М.: Недра, 1965. - 496 с.

58. Перепичка Ф.И., Киндур В.П. Шахтные исследования замкнутой крепи. Проектирование и строительство угольных предприятий, 1967, № 4, с. 33-35.

59. Покровский Н.М. Ремонт и восстановление выработок. М.: Углетехиздат, 1948. 136 с.

60. Покровский Г.И., Федоров И.С., Центробежное моделирование в горном деле. М.: Недра, 1969.

61. Попов В.Л. Горное давление и рудничная крепь. М.: Гос-гортехиздат, 1962. - 300 с.

62. Попов В.Л., Каретников В.Н., Еганов В.М. Расчет крепи подготовительных выработок на ЭВМ. М.: Недра, 1978. - 230 с.

63. Постнов В.А., Хархуриш И.Я. Метод конечных элементовв расчете судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974. - 341 с.

64. Пригожин Е.С., Денисов В.Н. Результаты замеров нагрузок на крепь штреков в условиях слабых пород. Проектирование и строительство угольных предприятий, 1962, № 6, с. 64-72.

65. Протодьяконов М.М. Давление горных пород и рудничное крепление, ч. I. В кн.: Давление горных пород. М., ГНТИУ, 1930, с. 68-93.

66. Прохоров Н.И. Прогнозирование величин смещения пород в выемочных штреках. В кн.: Механика подземных сооружений. Тула, ТПИ, 1982, с. 62-65.

67. Разработка методики оптимизации конструкций крепи подготовительных выработок./В.Л.Попов, Г.П.Ананьин, В.Н.Каретникови др. Тула: ТПИ, 1974. - 172 с.

68. Резников P.A. Решение задач строительной механики на ЭЦВМ. М.: Стройиздат, 1971. - 312 с.

69. Родин И.В. К вопросу о решении задач гравитационного давления горного массива на крепи подземных выработок .-Докл. АН СССР, 1951, * 3, с. 421-424.

70. Родин И.В. Снимаемая нагрузка и горное давление. В кн.: Исследования горного давления. М., Гостехиздат, I960, с. 343-374.

71. Руководство по проектированию конструкций крепи горных выработок из железобетона с жесткой арматурой/П.С.Залис, В.Б.Зеленский, В.И.Котенев и др. Харьков, 1975. - 100 с.

72. Р^ппенейт К.В. Некоторые вопросы механики горных пород.- М.: Углетехиздат, 1954. 384 с.

73. Савин Г.Н. Концентрация напряжений около отверстий. М.-Л.: ГИТЛ, 1951.

74. Смирняков В.В., Мирзоев В.М. Распределение нагрузки на крепь подготовительных горных выработок шахт Караджаро-Шаханского участка. В кн.: Записки Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова, т. 64, вып. I, Л., ЛШ, 1974.

75. Смирняков В.В., Маркович М.П. Число и конструкция межрамных стяжек для металлической податливой крепи. В кн.: Строительство шахт, рудников и подземных сооружений, вып. I. Свердловск, СП1, 1975, с. 66-70.

76. Смирняков В.В. Рациональная форма металлической крепи подготовительных выработок. В кн.: Записки Ленинградского горного института им. Г.В.Плеханова, т. 64, вып. I. Л., ЛГИ, 1974, с. 79-88.

77. Создание и внедрение железобетонных крепей и средств механизации их изготовления для шахт Подмосковного бассейна.- Отчет/ПНИУИ по теме № 18 за 1969 год.

78. Соколов А.И. Алгоритм и программа расчета кольцевой крепи из тонкостенных элементов, усиленной межрамными связями;- В кн.: Механика подземных сооружений. Тула, ТЛИ, 1982, с. 118121.

79. Типовые паспорта рационального расположения, охраны и крепления горных выработок, поддерживаемых в слабых глинистых породах. Тула, 1982, с. 6-Ю.

80. Трумбачев В.Ф. Применение оптического метода к исследованию распределения напряжений вокруг горных выработок. Л.: ЛГУ, i960, с. 304-312.

81. Трумбачев В.Ф., Молодцова A.C. Применение оптического метода для исследования напряженного состояния пород вокруг выработок. М.: АН СССР, 1963. - 93 с.

82. Усан-Подгорнов Б.М. Анализ влияния основных факторов на условия работы крепи в шахтах Подмосковного бассейна. В кн.: Научные сообщения, Вып. 41. Горное давление и крепление. М.,1967, с. 44-54. (ИГД им. А.А.Скочинского).

83. Феодосьев В.И. Десять лекций бесед по сопротивлению материалов. - М.: Наука, 1969. - 175 с.

84. Фотиева H.H. Расчет крепи подземных сооружений на статические нагрузки и сейсмические воздействия на основе исследования упругой модели взаимодействия крепи с массивом пород.

85. В кн.: Проблемы механики подземных сооружений. Л., ЛГИ, 1979, с. 3-8.

86. Цимбаревич П.М. Механика горных пород. М.: Углетех-издат, 1948. - 184 с.

87. Черняк .И. Л., Грядущий Б. А. О механизме деформаций пород вокруг выработок, подверженных влиянию очистных работ на больших глубинах. Проектирование и строительство угольных предприятий,1968, * I, с. 40-44.

88. Шейнин В.И., БУппенейт К.В. Некоторые статистические задачи расчета подземных сооружений. М.: Недра, 1969.

89. Щукин A.C., Краев Ю.К. Опыт применения сборного железобетона на шахтах Егоршинского шахтоуправления. В кн.: Строительство шахт, рудников и подземных сооружений, вып. I. Свердловск, СП!, 1975, с. 56-61.

90. Экспериментальные исследования проявлений горного давления на шахтах Подмосковного бассейна/А.Н.Насонов, И.А.Моцкин, Г.И.Нуждихин, В.А.Субботин. Проектирование и строительство угольных предприятий, 1967, № 7, с. 14-17.

91. Hrennikoff A. Solution of problems of elasticity by the framework method.J.Appl.Mech.P-A 169 (december,194l).

92. Tottenchem H.and Brebbia G. Finite element techniques in structural mechanics .Proceedings of a seminar at the University of Sauthhampton, april,1970.95» Untersuchung Streckenausbau unter Tage "Sla'ger und Eisen". Nr.10.1964.

93. Wichur A. Analisa sposobu obliczenia obudowy szybowej.-"Rudy i metale niezel",R,11,1966.N3.

94. Wichur A. Pole naprezen w sprezystym pierscieniu koli-stym obeiazonym staeyonarna funke ja losowa. "Archivum gornietwa", 16,1971,H1.