автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Оценка несущей способности и выбор параметров шахтных крепей с учетом образования зон дивергенции на контактах крепи с породами

РГ6 од

1 * ДПР 1998

На правах рукописи

Сушков СергеП Леонидович

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ШАХТНЫХ КРЕПЕЙ С УЧЕТОМ ОБРАЗОВАНИЯ ЗОН ДИВЕРГЕНЦИИ НА КОНТАКТАХ КРЕПИ С ПОРОДАМИ

Специальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений

полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Тула - 1998

Работа выполнена в Тульском государственном университете

Научный руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ докг. техн. наук, проф. В.Н. Каретников

Официальные оппоненты: Действительней член АГН,

докт. техн. наук, проф. И.С. Крашкин

канд. техн. наук, доц. Н.И. Прохоров

Ведущее предприятие - ОАО «Тулауголь»

Зашита диссертации состоится 29 апреля 1998 г. в 14— часов иг заседании диссертационного совета К 063.047.04 Тульского государственной университета до адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, 9-101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульскогс государственного университета.

Автореферат разослан 28 марта 1998 г.

Ученый секретарь дисрертационного совета, канд. техн. наук, доцент

О.М. Пискунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из основных причин, негативно влияющих на Эффективность подземной добычи угля, является высокая трудоемкость я материалоемкость работ по проведению и поддержанию подготовительных выработок, особенно при неустойчивых вмещающих породах. Несовершенство конструкций крепи затрудняет разработку средств комплексной механизации производственных процессов При проведении подготовительных выработок, увеличивается их протяженность, повышаются затраты на поддержание. Поэтому исследования, направленные на обеспечение устойчивости выработок путем совершенствования крепей на основе разработки методов расчета, раскрывающих резервы их несущей способности, являются важными и актуальными.

Цель работы. Установление закономерностей формирования нагрузок па шахтную крепь при ее взаимодействии с массивом пород в условиях образования зон дивергенции на контактах и сопсршспстпошшие на этой основе методики оценки и несущей способности крепей подготовительных выработок угольных шахт для выбора парами фон паспортов крепления, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности ведения горных работ.

Идея^4 работы. Определении несущей способности и перемещений крепей подготовительных выработок как элементов системы крепь - массив с учетом возможности появления зон дивергенции (расхождения) векторов перемещений крепи и пород при их совместной работе.

Метод исследования заключается в анализе результатов исследований условий работы крепей, оценке несущей способности крепей с учетом возможности появления зон дивергенции на контактах элементов системы крепь - массив, численном моделировании на ЭВМ силового взаимодействия крепи с породами, обобщении результатов моделирования.

Научные положения, разработанные лично соискателем, их новизна: показано, что при работе крепи могут иметь место случаи, когда на отдельных участках периметра выработки нарушается ' совместность перемещений крепи и массива, вследствие чего образуются зоны дивергенции (расхождения) векторов перемещений крепи и массива, силы взаимодействия передаются не полностью,- условия' работы массива, как правило, ухудшаются, роль крепи в обеспечении устойчивости выработки снижается;

установлено, что основными факторами, влияющими на параметры зон дивергенции- векторов перемещений крепи и массива, являются: характер распределения исходных напряжении в массине порол: соотношение деформативных характеристик крепи и массива пород; неоднородность пород., выходящих на контур выработки; скачки киномагических факторов в

соединительных узлах крепи; форма очертания выработки н шшвносп сопряжений ее элементов; касательные силы взаимодействия крепи _( породами, реализующиеся за счет трения и сцепления на контактирующие поверхностях;

получены зависимости размеров зон дивергенции от модул! деформации массива и жесткости, элементов крепи, а также о-коэффициента бокового давления в нетронутом массиве;

усовершенствована методика оценки предельных состояний I несущей способности^ крепей подготовительных выработок угольны; шахт, обеспечивающая выбор рациональных параметров паспорта! крепления для повышения эффективности и безопасности ведения горны; работ; " ■ -

обоснованы рекомендации по совершенствованию конструкцш металлической крепи выемочных штреков.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов-1 рекомендаций подтверждаются:

корректным использованием методов строительной механики сопротивления материалов и механики подземных сооружений, уравненш метода начальных параметров, гармонического анализа 1 апробированных расчетных моделей, алгоритмов и программ;

удовлетворительной сходимостью результатов расчета щ разработанной методике с результатами расчетов других авторо! полученных'точными методами теории упругости и механики стержневы систем при контрольных решениях частных задач (в, большинстве случае расхождение не превышает 7-12%).

Научное значение работы заключается в установлена закономерностей формирования несущей способности шахтной крет взаимодействующей с массивом пород, с учетом возможност возникновения на контактах крепи о массивом зон дивергенции.

Практическое значение работы состоит в разработк усовершенствованной методики автоматизированного расета шахтны - крепей, позволяющей проводить многовариантные вычислительны эксперименты на ЭВМ и определять несущую способность крепей с учето зон дивергенции векторов перемещений крепи и массива при и взаимодействии, а также обосновании рекомендаций по конструктивно?, совершенствованию крепей.

Реализация работы. Основные результаты работы вошг составной частью в систему «САПР крепей подготовительных выработок разрабатываемую ТулГУ совместно с АО ПНИУИ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работ докладывались на заседаниях ученого совета Подмосковного НИУИ

г. Новомосковске (1987-1991 г.г.) и XXV-XXXIV научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула

1989-1998 гг~). -

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ.

Объем работы. Диссертация включает в себя введение, общую характеристику работы, 5 разделов, заключение; содержит 207 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 2 таблицы, перечень использованной литературы из 175 наименований и 3 приложения..

Автор выражает глубокую признательность и благодарность канд. техн. наук В.И. Сарычеву за ценные советы и научные консультации при выполнении работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Общее состояние решения проблемы расчета и проектирования крепей горных выработок характеризуют изданные за последние два десятилетия труды авторов: И.В. Баклашова, A.A. Борисова, Н.С. Булычева, А.Н. Воробьева, М.Н, Гелескула, Е.Б. Дружно, J1.M. Ерофеева, Л.А. Мирошниковой, Ю.З. Заславского, Ф.С. Зигеля,

B.Н. Каретникова, Б.А. Картозия, В.Б.. Клейменова, П.Г. Коскова, К.В. Кошелева, И.С. Крашкина, Г.Г Лйтвинского, А.П. Максимова, Д.Я. Парчевского, В.Л. Попова, В.А. Потапенко, А.Г. Проикепя, H.H. Фотиепой, И.Л. Черняка, Г.С. Франкевича, В.А. Броднии,

C.И. Копылова, И.И. Савина, A.C. Саммаля, H.H. Прохорова, Б.В. Цыплакова, В.И. Шапошникова, А.Н. Шашенко, О. Якоби и др.

Вместе с тем практика показывает, что существующие расчетные модели не полностью раскрывают причины неудовлетворительной работы крепей и резервы их несущей способности.. Не учитывается, что существуют такие сочетания конструктивных параметров крепи н свойств массива, при которых на отдельных участках периметра выработки могут возникать зоны дивергенции векторов- перемещений крепи и пород. Применительно к капитальным горным выработкам по многих случаях можно считать, что возникновение таких зон предотвращается за счет «спаянности» контактирующих поверхностей. Однако при рассмотрении работы рамных крепей подготовительных выработок такое допущение неправомерно. Наличие зон дивергенции существенно влияет на режим работы крепи, а получаемые при расчётах значения не"-щей способности крепи требуют определенных корректировок. 'Поэ .у установление области значений параметров, характеризующих деформационные свойства крепи и массива, при которых образуются зоны дивергенции, представляет большой теоретический и практический интерес U требует проведения специальных исследований. .

На основании изложенного, а также в соответствии с целыо работы были поставлены следующие задачи исследований:

установит», закономерности формирования нагрузок на" шахтную крепь в условиях ее совместной работы с массивом пород с учетом образования зон дивергенции на контактах;

усовершенствовать расчётную модель шахтных крепей для оценки несущей способности крепей подготовительных выработок с учётом образования и развития зон дивергенции;

разработать методику, алгоритм и программу для ЭВМ, позволяющие проводить многовариантные исследования несущей способности крепей подготовительных выработок и выбирать их рациональные параметры.

Анализ показал, что длч оценки предельных состояний и несущей способности шахтных крепей с учетом образования зон дивергенции ректоров перемещений крепи и массива при их совместной работе эффективным является использование разработанной в ТулГУ математической модели, базирующейся на уравнениях Метода начальных параметров. В соответствии с этой моделью система линейных алгебраических уравнений, выражающих напряженно-деформированное состояние крепи' как стержневой системы,

ймеет следующий ЬИД:

• Д.К+ А\л7'+АЬ7'+ + = (1)

4,1 р'о + АУ'= ¥г> ' (2)

+ А = • ч (3)

(4)

. Оз/>0+1 + О'4е? = Й, гдег = ьж (5)

Уравнение (1) выражает условия равновесия и совместности перемещений всех элементов крепи; уравнения (2) и (3) - условия взаимодействия элементов крепи с породами соответственно при радиальных и касательных перемещениях; уравнения (4) и (5) выражают граничные условия. В уравнениях (1)-(5) приняты обозначения.

Р\> = [Ш°)> Л'ЦО), м;.(0), 0у(о), ¿(0), 2'(())]'-* вектор начальных параметров;

г'= [/ о, п,-, г„,] , I* /„,]' - векторы равнодействующих

нормальных и тангенциальных напряжений, перераспределяемых с контура выработки на массив при его разгрузке, приуроченные к /-му элементу крепи;

д"= [«М- - вектор кинематических скачков в соединениях

элементов крепи; . -

А'зУ> М> ¿2 и Ь\ - матрицы и векторы, элементы которых определяются из выражений, полученных из общих уравнений метода начальных параметров;

Сг, £?з ч й и Ь\ - матрицы и векторы граничных условий. Для описания равновесных состояний массива, ослабленного выработкой, нами использовались обобщенные показательные и экспоненциально-показательные функции вида: для одиночных выработок

р{и)=Агим+Л,\ (6)

для выработок, находящихся в зоне влияния очистных работ, р(и)= А^Аги), . ' (7)

где А\ ч Ач- коэффициенты, зависящие от начальных напряжений в массиве, деформационных и прочностных свойств пород и горнотехнических факторов.

Необходимость использования численного метода обусловлена тем, чго: во-гтервых, при описании напряженно-деформироплнншо сосиштпш металлической крепи из спецпрофиля целесообразно использовать не метлы теории упругости, в которых в качестве характеристик жесткости крепи выступают внешний и внутренний радиусы кольца, модуль упругости и коэффициент Пуассона материала крепи, а методы строительной механики, оперирующими с понятиями: «жесткость сечений кольца крепи на изгиб, сжатие и растяжение», «радиус кривизны линии- центров тяжести элементов крепи», «эксцентриситет приложения касательных нагрузок» и др.;

во-вторых, помимо колец крепи со сплошным поперечным сечением методика позволяет рассматривать сборные крепи из элементов произвольного поперечного сечения (спецпрофили, двутавры,, швеллеры, уголковые, коробчатые и т.п.);

в-третьих, использование уравнений строительной механики стержневых систем позволяет имитировать работу узлов податливости, учитывать влияние сил трения, пластических шарниров и др.

На основе усовершенствованной за счет учета зон дивергенции математической модели силового взаимодействия крепи и массива составлен алгоритм расчета, автоматически, формирующей матрицу коэффициентов системы .уравнений для нахождения неизвестных нагрузок на крепь, внутренних сил в э;. .ментах крепи и перемещений в задаваемых заранее сечениях ее периметра. Разработанный алгоритм расчета лёг в основу программного обеспечения для ЭВМ, включенного в систему «САПР крепей подготовительных выработок», Разработанная методика, по ¡полила автоматизировать процесс математического моделирования рабопл системы крепь-массив с целью выявления особенностей вкшмо.тейстии ьрепн с

массивом пород и оценки несущей способности различных типов крепи е условиях образования зон дивергенции.

На первом этапе исследований рассматривались кольцевые крепи, а массив имитировался кольцом различной толщины.

В качестве контрольного был использован метод расчета-многослойных круглых крепей, разработанный проф. Булычевым Н С. Были проведены исследования влияния коэффициента бокового давления X 113 величину возможной зоны дивергенций двух контактирующих однородных слоев круглой крепи. В качестве исходного варианта были приняты два равных по толщине (/¡=0.2 м) однородных слоя. Центральные радиусы для внутреннего и внешнего слоев составляли Г\=2Л и г2=2.3 м, что соответствовало отношению Ыги равному 1,095. В этом случае для X =0 зона дивергенции достигает величины (р =77° (рис.1).

Влияние коэффициента бокового дааления Л на величину зо/ш дивергенции

V

70

60

50

40

30

20

10

0 0.1 . 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 X

а - график зависимости <р от X; б - схема расположения зон дивергенции.

Рис. 1

а

С увеличением Д зона дивергенции плавно уменьшается и полностью «закрывается» при Д =0.63. В дальнейшем, увеличивая Гг и тем самым изменяя соотношение г%!г\ при одинаковом модуле деформации слоев, устанавливаем, что зона дивергенции постепенно уменьшается, в связи с чем уменьшается и величина Д . ПРИ которой происходит «закрытие» этой зоны. Так, при f2/V|=l-523, что соответствует 10-кратному увеличению толщины внешнего слоя Иг по отношению к внутреннему h\ (соответственно 0.2 и 2.0 м), максимальный угол (р составляет 63,5 градусов при Д ~0, а полностью зона дивергенции исчезает при X =0.386. Еще более увеличивая толщину внешнего слоя и доводя его. до' размера 100 м, что соответствует пятисоткратной мощности внутреннего слоя, получаем <р =46° при Д =0. Закрытие зоны происходит при Д =0.16. Очевидно, что аналогичная картина имеет место и при взаимодействии однослойной кольцевой крепи с массивом пород. Отсюда можно сделать вывод, что при Л <0.16 и однородности слоев, вне зависимости от. нарастания толщины наружного слоя, всегда существуют радиальные растягивающие напряжения, перпендикулярные поперхност контакта слоев, могущие вызвать их дивергенцию.

Было выполнено исследование по оценке влияния зон дивергенции на величину и характер распределения контактных нагрузок, внутренних усилий и перемещений в кольцевой крепи. Для статического расчета крепи совместно использовались два метода: аналитический (метод проф. Н.С. Булычева/ и численный (стержневая модель, базирующаяся на уравнениях метода начальных параметров). В основу" сравнения контактных нагрузок был положен гармонический анализ. Прерывистые эпюры контактных нагрузок, получаемые в ходе расчетов, аппроксимировались тригонометрическими полиномами в виде рядов Фурье. После этого сравнивались нагрузки, найденные аналитически, с нагрузками, полученными численным методом и аппроксимированными тригонометрическими полиномами (рис. 2). При оценке сходимости результатов расчета контактных нагрузок без учета и с учетом зон дивергенции анализировалось расхождение величин идентичных коэффициентов разложения нагрузок в ряды. Установлено, что расхождение величин этих коэффициентов зависит от величины зон дивергенции,- которая является функцией коэффициента бокового давления И относительной жесткости слоев.

Так, например, для радиальных нагрузок получены следующие выражения:

- без учета зон дивергенции p{q>) = 0.2840+ 1.1994 cos2<p -для ß=\ иЛ = 0, р{(р) = 0.5525 - 0.5556 cos2<p - для ß= 2 и Я = 0.5,

где ß - Е2/Е],

Фрагмент результата» гармонического анализа контактных нагрузок

Р'2-1, Р'2-10, Р21, Р]-ю - расчетные амплитуды старых гармоник нагрузки, соответственно для /}=/ и /3=10 (знаком * помечены значения амплитуд без учета зон дивергенции);

Р41, Р<1о, Рб-1^Рб-ю - расцепите амплитуды четвертой м шестой гармоник нагрузки соответственно &гя р-1 и (!~№

Рис.2

- с учетом зон дивергенции .

р{<р) = 0.5346 - 0.7787 соа2(р + 0.2333 0.0551 сохЦо-для ¡3= 1 и Я-0,

р{<р) = 0.5529 - 0.5555 - для р-7л\Х- 0.5.

Для касательных нагрузок."

- без учета зон дивергенции д(<р) = -2.9814 5\пЪр-для р=\п\ = й, я1ср) = -1.4281 Бт2(р- для/?= 2 » Л = 0.5; .

- с учетом зон дивергенции q(ф=l97sШ^LMsШ^0A4sm6p-0.27sinS^0.i6s;нt0(p-дflя/1=1 и Л=0, д(<р) = -1.4281 зт2ц>-для ¡3-2 и Л - 0.5.

По данным моделирования сделан вывод, что при расчете с учетом зон дивергенции средний уровень радиальной нагрузки, действующей на контакте слоев, во всех случаях больше, чем при расчете без учета этого фактора. Степень этого превышения уменьшается при увеличении

отношения Е2/Е1, составляя при Ег/Е>=1 - 1,882 раза, а при Ег/Е|=10 -только 1,009 раза. Что касается второй гармоники косинусоидалышй радиальной нагрузки на контакте слоев, то ее амплитуда при учете зон дивергенции меньше, чем получаемая аналитическим' путем. Так при Е2/Е|=1 она равна 0,649 от значение, получаемого аналитически, а при 10 значения совпадают.

Примерно такая же картина имеет место и при сопоставлении амплитуд второй гармоники синусоидальной касательной нагрузки.

Обобщая сказанное, можно заключить, что в рассматриваемых условиях появление зон дивергенции может приводить к повышению (до 88,2%) равномерной радиальной контактной нагрузки и снижению на 3035% интенсивности неравномерных нагрузок.

При изменении коэффициента бокового давления от Л=0 до 6 зоны дивергенции уменьшаются, вплоть до их «закрытия».

Проведены представительные исследования по установлению влияния зон дивергенции на внутренние усилия и перемещения крепей кругового очертания. Исследования выполнялись на ЭВМ, с последующей выдачей результатов, как в цифровом, так и в графическом виде. При этом варьировались параметры исходных нагрузок, геометрические и жесткостные характеристики элементов расчетной схемы. Одновременно выполнялся корреляционный анализ и функциональная аппроксимация получаемых массивов данных.

Так, на рис. 3 изображены графики зависимостей изгибающих моментов и продольных сил от отношения модулей деформации слоев двухслойной кольцевой системы при действии вертикальной и боковой нагрузок. Толщина слоев в "данном варианте принята одинаковой. По графикам можно заключить, что при таком соотношении толщин слоев и при А=0,3 влияние зон дивергенции на величину изгибающих моментов не превышает 20%, тогда как отличие продольной силы при Е2/Е|~1 достигает 5 раз. При увеличении отношения модулей это различие уменьшается н графики сближаются. При Е?/Е|=5 (порядковый помер 10) расчетные значения исследуемых параметров практически совпадают, что свидетельствует об исчезновении зон дизергенцчн.

С,помощью усовершенствованной расчетной модели крепи в виде системы кольцевых слоев стержнезого типа были выполнены численные исследования на ЭВМ влияния сил трения на внутренние усилия в.крегш, взаимодействующей с массивом пород. Было принято, что силы трения возникают в зонах, где реализуется тангенциальная дивергенция контактирующих точек сопрягающихся поверхностей, а в формировании сил трения участвует полная величина радиальных контактных нагрузок.

Зависимость внутренних усилий в верхнем сечении двухслойной кольцевой крепи от отношения модулей деформации слоев для Л=0.3

б

Порядковый Номер отношения Е2/Е1

» 1 - ' ! 4 * • ''

--—-ч 2 -—. у=-Ш.7-141»Х+9 1Х"2

! ' * ' Т " ~У

' ' ' ' ^^^

\ :

1 у=-1831.»+368.5г-27.1Х"2

а - изгибающие моменты; б - продольные силы (графики I и 2 соответствуют расчетам без учета и с учетом зон дивергенции)

Рис. 3.

Получены зависимости изгибающих моментов, продольных и поперечных сил, углов поворота, радиальных и касательных перемещений в сечениях бесшарннрной и шестишарнирной кольцевой крепи от общего уровня нагрузок на ее контуре при различной величине коэффициента трения. Для бесшарннрной крепи зависимости имеют почти прямолинейный вид. Для шарнирной крепи они имеют ярко выраженный криволинейный характер. При изменении коэффициента трения от 0 до 0.5 исследуемые параметры уменьшаются до двух и более раз, что свидетельствует о повышении несущей способности крепи, примерно, в такой же пропорции

Прспсдены исследования характера взаимодействия с породами серийных кольцевых металлических крепей КПК и КПК-ПЛ, применимых для условий Подмосковного угольного' бассейна. Крепь КПК имеет идеально круглую форму, что затрудняет ей применение по технологически»! соображениям: невозможность комбайновой проходки, низкий коэффициент использования сечения выработки. Эти недостатки устранены в крепи КПК-ПЛ, имеющей выположенный лежень. Однако расчеты показали, что характер взаимодействия, с породами при выполаживании лежня ухудшается, что не было выявлено при расчетах крепи «по заданным нагрузкам» в процессе ей проектирования.

Некоторые результаты расчетов кольцезых крепей по предлагаемой методике приведены* на рнс. 4, где кривыми 1, 2, 3, 4 изображены эпюры -контактных нагрузок при значениях модуля деформации пород Ео=2*107, ' 1 (г1, 2*105, 2* 104 кПа. Для наглядности взят случай при А=0. Из рис. 4.а видим, что для крепей КПК эпюры контактных нагрузок имеют плавный характер, они симметричны относительно вертикального и горизонтального диаметров кольца. Максимальная интенсивность давления имеет место в сечении, лежащем на горизонтальном диаметре, её значение возрастает пропорционально уменьшению модуля деформации пород Ео.

Пунктирной линией на контуре крепи показано расположение зон дивергенции. Протяженность этих зон уменьшается с уменьшением Е0, но не в прямой пропорциональности. Так, при Ео=2*107 кПа протяженность зоны определяется центральным углом, близким к 45°, при Еп=2*10б кфа - 37е, а при Ео=2*105 кПа имеем «нулевую» зону. При Е0=2*Ю:' кПа нагрузка действует по всему периметру кольца, приобретая с уменьшением Е(, плавную форму. * Кривые 1, 2, 3, 4, приведенные на рис. 4.0, показывают, что йри выположенном леж' 2 эпюры контактных нагрузок имеют весьма неравномерный характер. Наблюдается нх высокая концентрация в местах сопряжений боковых элементов с лежнем. Протяженность зон дивергенции в верхней части периметра примерно такая же, как и у крепи КПК, тогда кик п нижней части периметра в случаях 1 и 2 эта зона охватывает весь лежень. Эю

Характер взаимодействия с породами серийных кольцевых крепей

а - крепи КПК, б - крепи КПК-ПЛ (кривые 1. 2,3, 4 соответствуют Е„=2*10г, 2*10", 2*10\ 2*104 кПа)

--------Рис. 4

:видетел1>ствует о том, что во многих случаях лежень не несет нагрузок от горного давления, а выполняет только функции соединительного элемента и служит опорой при перемещении проходческого комбайна.

Для уменьшения негативного влияния зон дивергенции на работу металлических крепей подготовительных выработок в диссертации даны рекомендации по их конструктивному совершенствованию. Так, при слабых породах непосредственной кровли угольного пласта, когда над крепью оставляется защитная угольная пачка, вместо широко распространенной в Подмосковном бассейне крепи КПК-ПЛ-15 предлагается применять КПК-ПЛ-У. Отличительной особенностью этой крепи является наличие жесткого прямолинейного верхняка, обеспечивающего сохранность защитной пачки за счет устойчивого контактирования с ней по всей ширине выработки. Кроме того, в этих условиях, как правило, возникает необходимость подрывки почвы угольного пласта, представленной нередко пучащими глинами. Поэтому в крепи КПК-ПЛ-У предусмотрен плавный изгиб боковых элементов в нижней их части, что обеспечивает плавное сопряжение боковых элементов с Дежнем. Наличие у серийной крепи КГ1К-ПЛ-15 резкого изгиба боковых элементов на сопряжениях их с лежнем является причиной концентрации давления пучащих пород в нижних углах выработки, что приводит к нарушению нормальной работы соединительных узлов, снижению сопротивления лежня давлению пучащих пород, помехам в рабиге проходческого комбайна.

В тех случаях, когда, по разным причинам, выработка проходится без оставления защитной пачки и верхняя часть периметра крепи взаимодействует со слабыми породами, вместо крепи КПК-ПЛ-15 рекомендуется применять крепь КПК-ПЛ-К, у которой радиус кривизны йерхняка меньше, чем у боковых элементов. Такое очертание крепи предотвращает образование зон дивергенции за крепью над выработкой и препятствует развитию деформаций и разрушений пород кровли. Все это позволило усовершенствовать методику оценки предельных состояний и несущей способности крепей подготовительных выработок угольных шахт, которая вошла составной частью в систему «САПР крепей подготовительных выработок» разработанную ТулГУ совместно с ГЩИУИ

заключение и общие выводы по работе

'Ч, '

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится новое решение задачи совершенствования методики оценки несущей способности крепей подготовительных вьфаботок на основе установленных закономерностей формирования их напряженно-деформированного состояния с учетом зон дивергенции на контактах с

породами, что позволяет за счет более полного учета особенностей взаимодействия элементов системы крепь - массив выбирать рациональные параметры крепи.

Основные выводы и результаты работы заключаются в следующем.

1. * Анализ литературных источников показал, что одной из причин неудовлетворительного состояния вопросов, связанных с креплением и поддержанием подготовительных выработок, является несовершенство методов расчета, не учитывающих ряд особенностей контактного взаимодействия крепи с породами, существенно влияющих на работоспособность крепей.

2. На основании проведенных аналитических исследований показано, что при работе крепи могут иметь место случаи, когда на отдельных участках периметра образуются зоны дивергенции. (расхождения) векторов перемещений крепи и массива, вследствие- чего ■ силы взаимодействия передаются не полностью, условия работы системы крепь - массив ухудшаются, устойчивость выработки снижается.

3. Установлено, что основными факторами, влияющими на параметры зон дивергенции, являются: характер распределения исходных напряжений в

. массиве; соотношение деформатйвных характеристик крепи и породного массива; касательные силы взаимодействия крепи с породами, реализующиеся за счет трения и сцепления на контактирующих поверхностях; неоднородность пород, выходящих на контур выработки; форма очертания выработки и плавность сопряжения ее элементов; скачки кинематических факторов в соединительных узлах крепи.

■ 4. Получены зависимости размеров ' зон дивергенции от модуля деформации массива и жесткости элементов крепи, а также от коэффициента ' , бокового давления в нетронутом массиве.

5. На основании стержневой модели усовершенствована методик;: оценки предельных состоянии металлических шахтных крепей за счет введения в нее условий образования зон дивергенции, учета сил трения г сцепления на контактах крепи с породами.

. 6. Скорректированы алгоритм и программа расчета металлически? шахтных крепей на ЭВМ, что позволяет оценивать их несущую способность > выбирать рациональные параметры с учетом зон дивергенции на контакте ( массивом. .

7 На основании численного моделирования на ЭВМ с учетом зо( дивергенции установлены зависимости внешних нагрузок,'внутренних усилш и перемещений для серийной кольцевой податливой крепи КГТК-ПЛ-15, ; также для предлагаемых усовершенствованных крепей КПК-ПЛ-У > КПК-ПЛ-К от величины и характера распределения напряжений в породно:»

массиве, формы очертания крепи, деформативных параметров крепи и массива.

8. Разработаны программные модули для расчета металлических шахтных крепей, которые ., вошли составной частью в систему автоматизированного проектирования паспортов" крепления подготовительных выработок, разработанную ранее ТулГУ совместно с АО ПНИУИ.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Азимов Б.А., Корнеев А.Е., Сушков С.Л. Автоматизированная оценка предельных состояний крепи по экспериментальным нагрузкам. - В кн.:. Гибкие технологии й САПР горных работ. Тула, 1987.

2. Каретников В.Н., Сушков С.Л. Влияние формы очертания выработки на результаты статического расчета податливых крепей по экспериментальным нагрузкам. - В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. - Тула, 1992.

3. Миронова М.В., Сушков С.Л. К определению нагрузок на податливую металлическую крепь штреков. - В кн.: Механика подземных сооружений. -Тула, 1991 . '

4. Переяславцев Е.Л., Сушков С.Л. Расчетная модель крепи в неоднородном массиве. - В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов, - Тула, 1988.

5. Переяславцев Е.Л., Сушков С.Л., Геленко В.А. Оценка несущей способности и выбор рациональных параметров набрызгбетонной крепи типовых горно-разведочных выработок. - "В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. - Тула, 1991.

6. Сушков С.Л. Учет зон дивергенции при расчете крепей. - В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. - Тула, 1993.

7. Сушков С.Л. К расчету крепей по заданным деформациям. - В кн.: Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов.

' Тула, 1993.

с*

Тир. 1°° >кч.3ак. Отпечатано в ГулГУ