автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Разработка теоретических основ динамического взаимодействия механизированной крепи с породами кровли

На правах рукописи

ШЕИН Юрий Георгиевич

УДК 622.284-523.3:621.225.001.2

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С ПОРОДАМИ КРОВЛИ

Специальность 05.05.06 - «Горные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Национальном научном центре горного производства-Институте горного дела им. А.А.Скочинского.

Научный консультант: академик РАН Е.И.Шемякин

Официальные оппоненты.

профессор, доктор технических наук Ю.В. Громов, доктор технических наук C.B. Козлов, доктор технических наук Ю.Н. Линник.

Ведущая организация: АО Подмосковный научно - исследовательский угольный институт «ПНИУИ».

Защита диссертации состоится «Шо » 2003 г. в /о час

на заседании диссертационного совета Д222.004.01 в ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского по адресу: 14004, г. Люберцы Московской обл., Октябрьский проспект, 411.

С диссертацией можно ознакомиться в секретариате ученого совета ННЦ ГП - ИГД им. А.А.Скочинского.

Автореферат разослан « 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета докт. техн. наук

А.Л. Западинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. При анализе аварий в очистных забоях, сопровождаемых разрушением механизированных крепей, работающих в условиях труднообрушаемых кровель (Германия, Чехия, Польша, Россия, Украина, Казахстан), чаще всего идет речь о неправильно выбранных силовых параметрах крепи (прежде всего, ее несущей способности) и необходимости увеличивать рабочее сопротивление секций крепи или применять предварительное разупрочнение пород основной кровли методом гидроразрыва, торпедированием и т.п. Поэтому в Российской Федерации и за рубежом проводились и проводятся работы по созданию стоечных предохранительных систем адаптации, которые смогли бы снизить высокое давление в стойках при ударных нагружениях крепей и предотвратить их разрушение. Для проверки таких систем и исследования процессов взаимодействия пород кровли с крепями созданы специальные стенды, которые должны в полной мере имитировать параметры силовых, кинематических и динамических воздействий кровли на крепь в условиях резких осадок. С этой же целью проводились и проводятся теоретические и экспериментальные исследования шахтных крепей в Польше, Чехии, Германии, Венгрии и России.

Начиная с 70-х годов XX столетия, в ИГД им. А.А.Скочинского велись широкие теоретические и экспериментальные работы по изучению динамических явлений, возникающих при взаимодействии крепей с породами кровли как в период выполнения технологических операций по выемке угля, так и при первичных и периодических осадках пород основной кровли. В результате выполненных работ установлено, что не только физико-механические свойства пород кровли, но и динамические характеристики системы «кровля - крепь» в период резких осадок являются значимыми при оценке безопасности эксплуатации шахтных гидрофицированных крепей, особенно с учетом кратковременного характера нагрузки. Было выявлено также, что существующие и даже нормированные методы экспериментальной оценки динамических свойств механизированных крепей не в полной мере отражают реальные условия взаимодействия системы «кровля - крепь» в период резких осадок. Было установлено, что условия стендовых испытаний гидростоек и секций.-крепей для оценки их отклика на внезапные нагрузки и оценка их динамических характеристик, а также фактические силы, действующие в период этих воздействий, включая их динамическую составляющую, практически не адекватны реальным условиям, сопровождающим резкие осадки.

Актуальность разработки теоретических основ динамического взаимодействия пород кровли и шахтной механизированной крепи как реакции деформируемого объекта на урятул^^рциун^ ИНтрНгиррууг.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.Петербург д ^ ОЭ

нагрузку определяется комплексом рассматриваемых проблем: необходимость прогноза величины кратковременных максимальных силовых нагрузок, которым будет подвергаться крепь при эксплуатации в условиях труднообрушаемых кровель, и установлением обоснованных запасов прочности секций с гидроэлементами их силовой гидравлики.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии в ИГД им. A.A. Скочинского, на стендах ЦНИИСКа им. Н.П. Кучеренко (г. Москва) и СибНИА им. С.А.Чаплыгина (г. Новосибирск), а также на шахтах Донецкого угольного бассейна, треста «Ленинградсланец» (г. Сланцы) и комбината «Эстонсланец» (г. Кохтла-Ярве). Работы выполнялись по отраслевым планам Минуглепрома СССР, контрактам Минтопэнерго России и по договорам с машиностроительными заводами, а также в рамках научно-технического сотрудничества с организациями Венгрии и Болгарии.

Цель работы. Разработка теоретических основ динамического взаимодействия механизированной крепи с породами кровли в условиях упруго-пластических деформаций для повышения эффективности и безопасности ведения очистных работ.

Идея работы заключается в учете динамической составляющей при взаимодействии боковых пород и крепи на основе использования характеристик колебательной консервативной системы «кровля - крепь» при определении закономерностей движения масс этой системы.

Задачи исследований:

1) проанализировать теоретические и экспериментальные работы в области взаимодействия шахтных механизированных крепей с породами кровли в период динамических проявлений горного давления;

2) разработать и научно обосновать закономерности динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» и теоретически корректно оценить и описать фронт изменения нагрузки на крепь в функции времени;

3) разработать методологические основы проведения комплексных экспериментальных (шахтных и стендовых) исследований крепей, позволяющие проводить полномасштабные измерения их динамических параметров во всем диапазоне скоростей и ускорений;

4) провести комплекс экспериментальных шахтных и стендовых исследований по изучению количественных показателей динамического взаимодействия системы «кровля - крепь»;

5) сформулировать критерии проверки динамических свойств гидростоек механизированных крепей применительно к задачам

подтверждения их применимости в условиях динамических воздействий в период их эксплуатации.

Методы исследований. В работе использован метод исследований, включающий обработку и системный анализ информации, теоретический анализ физических процессов, стендовые и шахтные исследования с использованием высокоточной измерительной техники.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) закономерность формирования нагрузок на крепь, превышающих несущую способность крепи, при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний системы «кровля -крепь»;

2) метод определения динамического коэффициента системы «кровля - крепь», основанный на вычислении нагрузок и перемещений с момента начала обрушения пород, в течение всего времени действия силы, соотнесенного с периодом собственных колебаний рассматриваемой системы;

3) метод моделирования динамической нагрузки на крепь, заключающийся в нагружении гидростойки крепи массой, соответствующей ее несущей способности, с обеспечением коэффициента динамичности не более двух при неупругом ударе;

4) статическое нагружение и податливость гидростоек шахтной механизированной крепи, предшествующие появлению первичной осадки основной кровли, вызываются её линейной деформацией как защемленной балки под собственным весом в плоском напряженном состоянии;

5) закономерность движения упруго-деформируемой системы механизированной крепи в функции времени при резких осадках кровли определяется суммарной жесткостью гидростоек крепи и значением величины их номинального сопротивления.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректным использованием аппарата теории колебаний теоретической механики и теории испытаний;

использованием комплекса экспериментальных методов, позволивших получить статистически обоснованную, достоверную информацию о процессах взаимодействия кровли и механизированной крепи в условиях динамических нагрузок при выполнении технологических операций и в период резких осадок кровли;

- согласованностью результатов теоретических расчетов со стендовыми и шахтными экспериментами, проведенными с применением высокоточной измерительной и регистрирующей аппаратуры по методике, разработанной автором.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснованы основные закономерности динамического взаимодействия механизированных крепей с породами крепи, вызываемого кратковременными интенсивными воздействиями в период первичных осадок кровли;

- установлена взаимосвязь между параметрами шахтной механизированной крепи и физико-механическими свойствами пород кровли, определяющая динамические характеристики системы «кровля-крепь»: частоту и период колебаний;

- установлена закономерность формирования внешних нагрузок, превышающих несущую способность крепи при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний консервативной системы «кровля - крепь»;

- сформулированы основные принципы, и разработана методология исследований динамического взаимодействия шахтной крепи с боковыми породами и требования к измерительным системам, что позволило провести измерения быстропротекающих процессов в режиме реального времени.

- научно обоснованы закономерности формирования динамической нагрузки на механизированную крепь во времени, функциями которой являются

f(t) = 1, f(t) = t/т, f (t) = sirart/т, f(t) = 2th, f (t)= 1/2(1- cos2Trt/i).

Это позволило реализовать и повторить эти нагрузки в реальных условиях;

- установлено, что динамический коэффициент, характеризующий увеличение нагрузок на крепь и смещений её податливых узлов при кратковременных воздействиях в реальных условиях, имеет величину не более х =1,8-1,9.

Практическое значение диссертации:

- разработаны официально принятые нормативные документы по оценке параметров механизированных крепей и их гидроэлементов с учетом их работы в условиях динамических нагрузок;

- разработана методология расчетов по определению кинематических, силовых и динамических параметров механизированных крепей в период резких осадок кровли, результаты которых устойчиво согласуются с результатами измерений, с ошибкой не более 15%, подтверждая корректность принятых допущений и справедливость концепции расчёта динамических характеристик системы «кровля - крепь» в диапазоне мощности пластов основной кровли 10-60 м при удельном сопротивлении секции крепи от 0,3 до 1,5 МПа;

- разработаны методологические основы и рабочие методики экспериментальных исследований динамических проявлений горного

давления в очистных забоях и его имитация в стендовых условиях. Проведенные на их основе исследования позволили определить количественные значения максимальных скоростей и частот собственных колебаний системы «кровля - крепь» в режиме реального времени. Подтверждено, что в условиях очистного забоя динамический коэффициент системы не превышает % = 1,8-1,9;

- разработана модель взаимодействия системы механизированной крепи и вмещающих пород в условиях их хрупкого разрушения с целью определения возможности безаварийной работы крепи при динамическом воздействии в конкретных горно-геологических условиях;

разработан, апробирован, запатентован и применяется отечественными и зарубежными учеными способ динамических испытаний гидростоек механизированных крепей и их элементов. Способ позволяет создавать кратковременные нагрузки, адекватные действующим в шахтных условиях по энергии воздействия, закону изменения силы во времени и значению динамического коэффициента.

Реализация результатов работы. На основании выполненных исследований под руководством и при участии автора разработаны следующие нормативные и методические документы:

ГОСТ Р 51669-2000. Стойки призабойные гидравлические. Методы испытаний. Крепи механизированные. Клапаны предохранительные. Общие технические требования. Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта РФ от 21.11.2000 г., № 306-ст.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для пологих и наклонных пластов / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.07.1990 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для крутых пластов / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.1992 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания стоек призабойных гидравлических / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Утверждена Комитетом угольной промышленности Минэнерго РФ. Введена с 01.07.93 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания гидравлических стоек механизированных крепей / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с

ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.92 г.

Система • сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидроклапаны предохранительные / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1992 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидрозамки односторонние / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1993 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидрораспределители / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Утверждена Комитетом угольной промышленности Минтопэнерго РФ. Введена с 01.07.94 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Рукава высокого давления с концевой неразборной арматурой / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.93 г. и 04.01.94 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях Минуглепрома СССР (1982-1990 гг.), на секциях и заседаниях Ученого совета ИГД им. A.A. Скочинского, а также на всесоюзных, национальных и международных научно-технических конференциях: IV Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1984 г.); VIII Всесоюзной конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985 г.); V Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1986 г.); V Национальной конференции по гидравлике и пневматике (Болгария, 1988 г.); Международном симпозиуме "Горные удары и внезапные выбросы в шахтах: теоретическое обоснование, прогнозирование, предупреждение и обеспечение защиты" (Санкт-Петербург, 1994 г.); Международной конференции по горному делу (Польша, 1998 г.); Международной конференции «Проблемы механизации горных работ до 2010 г.» (Польша, 2002 г.).

Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 43 печатных работах, включая 3 монографии, 9 нормативных документах, 23 российских и зарубежных авторских свидетельствах и патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Изложена на 332 страницах машинописного текста, включая 97 рис., 15 таблиц, список принятых обозначений на 3 стр., список использованной литературы из 101 наименования и 1 приложения на 67 страницах.

Автор искренне признателен научному консультанту академику РАН Е.И.Щемякину за высокопрофессиональные советы и содействие при подготовке диссертации, а также выражает большую благодарность к.т.н. Ю.Л.Шахмейстеру, вместе с которым были проведены все многолетние шахтные исследования и осуществлена динамическая калибровка измерительно-исследовательского комплекса.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Значительный вклад в развитие науки о динамике проявления горного давления при работе механизированных крепей внесли научные организации ВНИМИ, ИГД им. А.А.Скочинского, ПНИУИ, КузНИУИ, ИГД СО АН СССР, КНИУИ, ИГМ АН ГССР, Гипроуглемаш (СССР), GIG, KOMAG (Польша), KBFI (Венгрия), Ostoy Opava, Ostrava Radvanize (Чехословакия), MPA (г. Дортмунд, ФРГ) и др.

Следует отметить ученых и исследователей, которые оказали существенное влияние на формирование научных взглядов в области исследования проявлений горного давления, в том числе динамических, и участвовали в создании и внедрении крепей для этих условий. Среди них отечественные - К.А.Ардашев, С.Г.Баранов, Г.Н.Бобров, А.А.Борисов, А.Ф.Булат, А.П.Герман, Ф.П.Глушихин, Ю.В.Громов, Р.П.Журавлев, Л.А.Зимин, С.И.Калинин, Б.А.Картозия, В.И.Клишин, В.Т.Коровин, Ю.А.Коровкин, Г.А.Крупенников, Г.Н.Кузнецов, С.Т.Кузнецов, Э.Д.Матарадзе, Б.К.Мышляев, Б.К.Норель, А.А.Орлов, Ю.Ф.Пономаренко,

A.М.Рагутский, Д.С.Ростовцев, К.В.Руппенейт, Н.М.Садыков, С.А.Санин,

B.Д.Слесарев, В.А.Трофимов, Б.А.Фролов, В.Н.Хорин, П.М.Цымбаревич, Ю.Л.Шахмейстер, Е.И.Шемякин, Г.И.Ягодкин, Э.И.Ялышев и зарубежные - K.Balag, Z.Bena, S.Budirsky, J.Dubinski, A.Osuch, S.Romanowicz, M.D.G.Salamon, K.Stoinski, W.Szuscik, J.Tkäc, O.Jacobi.

В первой главе анализируются работы отечественных и зарубежных ученых, проводивших теоретические и экспериментальные исследования проявлений горного давления, в том числе и динамических, где особое внимание обращалось на реакцию шахтных крепей при ведении работ в условиях труднообрушаемых кровель.

Анализ исследований по изучению работы крепей при отработке столбов длинными лавами показал, что, если кровля угольного пласта

состоит из достаточно прочных слоев, то по мере подвигания очистного забоя она не обрушается и образует значительные пролеты в выработанном пространстве, что создает опасные ситуации, когда горизонтальные растягивающие напряжения возрастают с удлинением необрушенного пролета и несущая способность пластов кровли исчерпывается.

Исследования также показали, что прочные и мощные осадочные породы основной кровли в некоторых случаях могут рассматриваться как сплошные (имеющие трансверсальную изотропию) и в определенной степени упругие. Характер возникающих в них напряжений под влиянием выемки полезного ископаемого можно представить как деформацию под собственным весом зажатой пластины, которая разрушается при достижении критического пролета, определяемого предельным состоянием массива основной кровли, когда максимальные растягивающие напряжения превосходят предельные значения для данной породы.

В механизме силового взаимодействия пород кровли и крепи рассматриваются два периода: период упругих деформаций системы «кровля - крепь», начиная от минимума потенциальной энергии, и кратковременный период разрушения кровли и динамического ее воздействия на крепь. Именно при хрупком разрушении кровли ее смещения и нагрузки на механизированную крепь существенно превышают реализуемые в первый период при статическом нагружении.

Многочисленными шахтными экспериментами, проведенными в 70-90 гг. XX века, со всей очевидностью установлено, что при резких осадках основной кровли на крепь в очистном забое воздействуют экстремальные нагрузки, которые в некоторых случаях приводили к разрушению, разрыву цилиндров гидростоек и другим авариям. Таким образом, если крепь сможет без разрушения противостоять этим воздействиям, то она будет успешно работать в последующие периоды, т.е. при вторичных осадках и других интенсивных проявлениях горного давления.

Следует, однако, отметить, что во всех без исключения известных шахтных экспериментах по изучению резких осадок кровли не был выдержан принцип детерминированности, т.е. в рассматриваемый отрезок времени не была определена закономерность движения исследуемых объектов в режиме реального времени в период до, во время и после динамического взаимодействия.

В Польше, Германии, Венгрии, Чехии и России были проведены специальные исследования и созданы крупные испытательные стенды, с помощью которых проводились проверки шахтных крепей на динамические нагрузки.

Принципы создания ударных нагрузок были различными, однако общей целью испытаний было получение наибольшей энергии воздействия

на объект испытаний за наименьшее время с целью проверки возможности крепи воспринимать внезапное нагружение без разрушения или без остаточных деформаций.

Основными принципами создания динамической нагрузки были следующие:

свободно падающая масса (Польша, Германия, Венгрия) (рис. 1, а); взрывное устройство в специальной камере (Россия, Польша) (рис.1, б) или взрыв специального заряда ВВ над крепью (Польша) (рис. 1, в);

импульсное силовое воздействие на гидростойку механизированной крепи вдоль ее продольной оси, осуществляемое поршнем с пневматическим или гидравлическим аккумулятором (Россия, Германия, Чехия) (рис. 1, г).

Основные методы испытаний крепей на динамические нагрузки

-З-З-З--^--^ ев ///////////////

^иЦи* шщМ ш

м

А

Гидро-илипневмо- ■ аккумулятор

Рис. 1

Рассматривая результаты стендовых испытаний натурных образцов крепей и гидростоек, можно отметить, что их целью была лишь проверка работоспособности защитных устройств под действием кратковременных максимальных нагрузок. При этом практически все стенды создавались для получения максимальной нагрузки за минимальный отрезок времени, не принимая во внимание реальной физической природы взаимодействия компонентов системы «кровля - крепь».

Ниже приведены некоторые отклонения фактических параметров и характеристик, создаваемых при стендовых испытаниях, от реальных условий работы крепи под воздействием кровли:

активная масса, воздействующая на стойку, всегда намного меньше реальной массы пород кровли;

удар массы, воздействующей на стойку, упругий;

скорость «соударения» нагружающей массы и крепи в период 1 = 0 не равна нулю;

ускорение, развиваемое системой «масса - гидростойка» после соударения, составляет 2-8§;

скорость поршня гидростойки в период удара составляла 3-20 м-с*1, при частотах колебательного процесса- до 200-400 с'1.

На основании анализа состояния вопроса и в соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследований как составные части научно-технической проблемы:

- оценить характер процесса динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» для теоретического решения вопроса оценки динамической составляющей при кратковременном воздействии кровли на крепь с выявлением закономерности этого процесса, для чего составить математическую модель системы с учетом инерционной и упругой составляющей системы;

- разработать методологию проведения шахтных и стендовых исследований динамических характеристик системы «кровля - крепь» и экспериментально определить значения нагрузок на крепь со стороны кровли в условиях динамических нагрузок в функции реального времени;

- разработать требования к измерительному и регистрирующему комплексу аппаратуры, позволяющему объективно определять динамические характеристики системы «кровля - крепь» в период резких осадок;

- сформулировать базовые критерии экспериментальной оценки динамических свойств гидростоек механизированной крепи для объективной оценки их работоспособности при наивысших для них динамических нагрузках;

- сопоставить теоретическую и экспериментальную модель для оценки корректности научного подхода к рассмотрению этого сложного явления.

Во второй главе показано, что для проведения экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления с необходимой точностью в условиях фактических силовых и кинематических параметров взаимодействия (ударной нагрузки) компонентов системы «боковые породы - крепь» необходимо выявить данные о режимах ударного кратковременного воздействия на крепь и характеристиках динамического отклика гидростойки механизированной крепи на внезапное ударное приложение нагрузки, что требует определенной точности и быстродействия измерительной и регистрирующей аппаратуры, частотные характеристики которой во всем диапазоне измеряемых параметров должны отвечать требованиям, предъявляемым к регистрации высокочастотных процессов.

С учетом всех вышеперечисленных требований была создана измерительная система, основанная на одновременном осциллографировании всех измеряемых параметров, где в качестве преобразователей давления использованы мембранные индуктивные датчики давления ДЦИ-20, предназначенные для измерения статических и динамических процессов, конструкция которых позволяет ввести мембрану непосредственно в полость измерения, исключая динамические погрешности.

, Для .измерения перемещений применялись индуктивные датчики перемещения IWT302 и IWT402 . Измерение скоростей осуществлялось с помощью сейсмометров типов С5С и ВБП-3. Для измерения ускорений применялись индуктивные датчики 1В102 и 1В202, включающие пружинно-инерционную и индуктивно-преобразовательную системы.

Оценка параметров внезапной нагрузки на предварительно нагруженную начальным давлением гидростойку производилась при различных режимах ударной нагрузки при динамической калибровке датчиков.

На осциллограмме, представленной на рис.2, показаны процессы, происходящие при типичной кратковременной нагрузке на стойку, имеющей давление начального распора равное 6 МПа. На осциллограмме зафиксированы перемещение штока х, скорость х, ускорение х и изменение давления р в поршневой полости.

Методически принципиальным являлась возможность сопоставления записей различных параметров, регистрирующих динамическую нагрузку на гидростойку и выполненных независимыми датчиками, так как они легко контролируются в особых точках (см. рис. 2). Так, максимуму скорости в точке А и минимуму в точке С соответствуют ускорения в

точках А' и С', а нулю скорости в точке В соответствует минимум ускорения в точке В'.

Осциллограмма кратковременной нагрузки на гидростойку , 0,02 с

—> к———

«Л ' I /х ' 1

-1—1— Л" I

1 [ 0,2- I * М/ 'С V 1 1 ! ' !

I 0,4- х, и 0,5- 1/С 20- ь1Д I 1 I

0,6- 1. > ! ! ! 1

1 0- -0-0,51 10- А Го' ! 1 1

— _1,2- • 0- ч 1

1 Г™ — 1,41,6- Р,МПа «Н ! I® '

20-ю-

-10' I '

1 1,8- /

1 2,0- __/ ! 1 ■ ! !

I I I

X, мм

Рис.2

В третьей главе приведены теоретические основы расчета консервативной упруго-пластической системы «кровля - крепь».

Составление уравнений движения системы «кровля - крепь» выполнено исходя из условий действия инерционных сил (принимается условие сосредоточенных масс кровли на единице длины или площади), рассматривая их как интенсивность распределённой нагрузки. Для сосредоточенных масс это будут и сосредоточенные силы.

В общем виде рассмотрена система, обладающая п-степенями свободы, которая определяется обобщенными координатами х]...х п , кинетическая энергия масс АКин и Ап представляются в виде зависимостей от координат перемещений х, и скоростей х | :

Акин = Акин(х]... хп); Ап = Ап(х|... х„).

Работа Ар внешних сил Р представляется в виде ААР =0, Дхг + ... 0„Дхп.

Согласно принципу Даламбера, обобщенные силы инерции Рии и обобщенные силы упругости Руп , возникающие при перемещении Ах, системы, выражаются через производные функций инерции и упругости

Р .-1 ™ Л

Эх, I Эх, ул Эх,

Из условия равновесия системы получаем п уравнений движения Лагранжа второго рода

'ЭА л

Эх, J

■ = 1=1. ..п).

Эх, Эх,

Кинетическая энергия АКин приведенной массы тпр пород кровли и потенциальная энергия упругой деформации секции крепи Ап определяются по уравнениям

Акин =|тпрХ2 ; Ап=1ркжх . (1)

Исходя из положения Акин > 0 и Ап > 0, имеем

тпр > 0 и Б Кж > 0 . Дифференцируя уравнения (1) получаем

х,

эх пр сН эх ; "р

^£»1 = 0, ^- = ИСжх

Эх Эх ж

и для условия действия переменной нагрузки Рф получаем

тпрх + РпКжх = Р(1).

При условии ш2 = (ю2 - собственная частота системы) эта

тпр

зависимость приводится к виду уравнения движения массы в системе с одной степенью свободы при действии внешней силы Р(0, переменной во времени.

х + оГх = РО)/т

пр •

Приведенные массы тпр определяются для условий первичной и вторичной осадок кровли.

Критическая длина балки консоли основной кровли Ь2 перед вторичной осадкой определяется в зависимости от соотношения предельно допустимых растягивающих ар и сжимающих осж напряжений, которые в

условиях анизотропных пород смещают координаты нейтральной оси рассматриваемой балки, координаты равнодействующей а от реакции секции крепи мощности Ькр и распределённой нагрузки цо от веса основной кровли при условии

Кровля перед первичной осадкой рассматривается как защемленная по краям балка, находящаяся под действием распределенной нагрузки. Определяем её предельный пролет исходя из максимальных величин допускаемых растягивающих напряжений.

Балка рассматриваемого вида является один раз статически неопределимой, ибо для расчета двух реакций, возникающих в заделках, можно использовать лишь одно уравнение равновесия как равенство нулю суммы перемещений всех сил на горизонтальную ось.

Рассматриваем прогиб этой балки как линию, имеющую две точки перегиба и максимум прогиба в середине пролета. Всем этим условиям удовлетворяет зависимость вида

Прогиб для защемленной балки с распределенной нагрузкой q определяется по выражению

Если принять прогиб для консольной балки с равномерно распределенной нагрузкой

Принято допущение - разрушение кровли происходит в средней части пролета на расстоянии Ь|/2. При условии теоремы Клайперона

то при условии

Ь, =2,64Ь2.

потенциальная энергия деформации кровли для первичной осадки определится зависимостью

А 1 " 2 1 е;„ 2

где Мтач и - соответственно максимальный изгибающий момент и момент инерции сечения балки.

Время этого действия обрушенной кровли определяется временем падения конца балки обрушенной кровли на почву или на обрушенную непосредственную кровлю.

Принимается, что конец балки длиной Ь2 и толщиной Ькр, вращаясь вокруг неподвижной оси, опускается на почву пласта с высоты, равной его мощности Ь.

При рассмотрении балки как стержня 1С = 1/3 ш \}г:

и при рассмотрении балки, имеющей толщину Ькр, 1/Зш (Ь22+Ь2кр):

1м=7(2ЫхУ(Ц+ЬгЧ1).

Жёсткость секции крепи, приведенная к жёсткости её гидростоек, определяется коэффициентом жёсткости Кж (МПа/м), рабочей площадью поршня Fn (м2) и количеством гидростоек. В зависимости от последовательности расположения упругих элементов гидростойки в секции крепи оценивается её суммарная жесткость, что показано на рис. 3. Очевидно, что просадка гидростойки двойной раздвижности (в случае коэффициента жёсткости первой ступени, равной коэффициенту жёсткости второй ступени) в пределах упругих деформаций будет в 4 раза больше, чем просадка двух стоек с такой же несущей способностью, имеющих каждая жёсткость, равную жёсткости первой и второй ступени.

При произвольной кратковременной внешней нагрузки P(t) движение системы описывается уравнением вида

х + 2ах + ю2х = P(t)/mnp

и его общий интеграл имеет вид

xJ cos со, t +—sinco,t |+^2-sincolt + —-— [P(t])e"dtt"1,)sin oo,(t—tj)dt, l со j со, ny»10J

где о>1 = %/а2 -со2; 1] - текущее время от 0 до I, а - коэффициент затухания колебаний.

Оценка жёсткости различных конструкций гидростоек механизированных крепей а б в

Рис.3

При допущении P(ti) - const = Р0 для начальных условий хо = 0 и х0 = 0 получено решение

1 - e"ee(cosco1t - —sincOjt)

Приведенная функция идентична колебательному консервативному звену второго порядка, которое при условии а < со превращается в апериодическое звено вида

^шах хст (1-е ).

Анализ выполнен для кратковременной нагрузки P(t), которая имеет ударный характер и воздействует в течение времени t с одним максимумом за время ее действия. Нагрузка характеризуется формой импульса

х = Ce"0(t"t|)smco1(t-tI)dt, = х,

т„РИ1 0J

P(t) = P0f(t), продолжительностью его действия г и наибольшей величиной Р0 при 0 < t < т.

Величина динамического коэффициента зависит от формы импульса, поэтому рассмотрены различные характеры изменения функции f(t) от 0 до 1 в период т действия нагрузки.

В табл. 1 представлены пять вариантов изменения функции f(t), которые характеризуют вероятные случаи нагружения крепи. Важнейшими для оценки значений перемещения являются период собственных , колебаний системы Т и его соотношение со временем действия нагрузки

т, названное относительным временем действия импульса т*.

Таблица 1

t Формализованные значения кратковременной нагрузки кровли

на крепь в функции периода действия

Номер варианта Функция времени f(t) Период действия

1 1 0 <т* < 1/2

2 t т 0 < т* < 3/8

3 . t sin 71Т Sin —t(t-T) 1 0 < т* < 1/2 1/2 < т* < 3/2

4 2t H 0<т*< 1/2 1/2 <т* < 5/3

5 —f 1 - cos2л-] 21 T J ÍH'-Í)] 0<т*< 1/2 т* > 1/2

Дифференциальное уравнение системы «кровля - крепь» с одной степенью свободы под действием кратковременной силы Р(0 Для ^ > О

шх + ЕпКжх = Р(1).

Для начальных условий х = 0; х =0;0<г <т и его решение будет иметь вид

х=А.

Для t>x

X =

Ро

тсо

J^tOsinooO-tOdi'.

Jf(t') sin co(t - t')dt'

0 0

Полученные интегралы используются для исследования вариабельности коэффициента динамичности в случаях различного закона изменения действия силы при условии, что она не является периодической функцией.

Для каждого из указанных пяти случаев проинтегрированы представленные уравнения и определены. зависимости динамического коэффициента % от относительной продолжительности действия силы т*.

Так, для прямоугольного импульса f(t) = 1, максимальные перемещения хтах под действием кратковременной нагрузки в зависимости от ее относительной продолжительности составят

х /W 2тг

ф*) = ±nmL12 = 1 -cos—X = 2sin7tT*.

Дхсп Т

При изменении относительного времени т* в первый полупериод от т* 1

0 до — = ~ эта функция изменяется от 0 до 2 и при дальнейшем

увеличении т* остается неизменной.

Подобный характер абсолютной ударной нагрузки, действующей в течение полупериода собственных колебаний системы приводит к возникновению максимально возможной динамической составляющей, удваивающей нагрузку и перемещение.

Вместе с тем следует иметь в виду, что подобные импульсные нагружения в реальной обстановке очистного забоя мало вероятны ввиду значительной инерционности пришедших в движение масс кровли.

Когда на крепь воздействует кратковременная нелинейная нагрузка, изменяющаяся во времени по синусоидальному закону, интеграл уравнения в период t < т показывает изменение перемещения масс

хст Т . 2%

X =——sin—t—sin—t дин т2 ^ -с х Т

В последующем, при уменьшении нагрузки, перемещение системы следует закону

-Ï

' . 2я Т . 2 я

sin—t—sm-1

т т T

sin—Т(Т - t) - —sin—(t - t) t t t

По представленным зависимостям определяется значение

динамического коэффициента х =

в функции от относительной

продолжительности действия силы т* (табл. 2).

Таблица 2

Величины динамического коэффициента для условия изменения нагрузки Я^) = бшл-

т* 0,0 0,1 0,25 0,8 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 ■5,0

X 0,0 0,4 0,94 1,77 1,5 1,-33 1,25 1,2 1,17 1,14 1,10

Анализ полученных значений динамических коэффициентов показывает, что при кратковременном действии силы по синусоидальному закону максимальный динамический коэффициент имеет максимальное значение %-\,Л при относительном времени действия силы т* = 0,8.

В дальнейшем, при увеличении относительного времени действия нагрузки, динамичность системы уменьшается.

1/

При законе изменения действия силы вида

f(t) = ^l-cos—t

для

интервала 0 < т* <'А интеграл системы описывается зависимостью вида

*дин

~ 2 хст

2л

1 -cos-1 +

Т

1--

2п

cos-1 ■

2тс

■ cos-1

Т

При увеличении относительного времени действия силы т* > 'А закон перемещения системы «кровля-крепь» под действием динамической силы за указанный период примет значение

Хпин — _

2л 1

1 -соб-1--г

т

2п„ 2 я соэ—1-соз—I х Т

I - соб—(г - т)- сое—(1 - т) т Т

При всех вариантах нагрузки динамический коэффициент определяется при изменении т* в пределах от 0 до 5.

По закону, близкому к косинусоидальному, динамический коэффициент системы имеет максимальное значение, равное % = 1,7, при времени действия силы близком ко времени периода колебаний системы.

В последующем значение динамического коэффициента уменьшается уже при величинах, близких к т* > 3, а при т*=5 динамическая составляющая системы «кровля - крепь» практически незначима.

Графики расчетных значений динамических коэффициентов представлены на рис. 4, а номера графиков соответствуют номерам вариантов нагрузки, приведенных в табл. 3.

Изменение динамического коэффициента в зависимости от закона изменения кратковременной нагрузки и относительного времени её действия

"7"

1 2 3 4 5 Т* = у

Рис. 4

Таблица 3

Определение динамического коэффициента при кратковременной нагрузке на гидростойку

п/г Фермы импульса нагрузи Значения Г функция динамического коэффициента хеп

1 Кв (КГ51/2 Т*>1/2 23|'птгт* 2

Т

г № Я (КГ<3/8 Г>3/8 2ях*У(1 -С0527С Г)' -К2ТГТ'-3|ГГС-) 2(1-^агс*д27СГ)

Т1

3 *> (КГ<;1/2 1/2<Т*<3/2 Г>3/2 ^соетг _ ^¡п^-гт-з^)

и

4 1И к 0<Т*$1/2 1/22Г55/3 Т*>5/3 ;£(1-СО«СГ) 81пт1Г

7ГС*

5 [ОД 0£Т*£1/2 Г>1/2 3|'П7СГ 1-711*' 1-С087ГТ*-Т*(1-С08^) 2(1-П

Т1

Установлено также, что наибольшее влияние скорость деформирования стали оказывает на величину предела текучести. Это объясняется свойством запаздывания ее пластических деформаций, заключающееся в том, что материал в течение определенного времени сохраняет состояние упругости при напряжениях, превышающих статический предел текучести.

Время, в течение которого напряжение в стали достигает величины динамического предела текучести, называется временем запаздывания пластических деформаций и может достигать 1 с. Это объясняется теорией дислокаций, на основании которой исследователями получена

зависимость, связывающая время запаздывания ^ и динамический предел текучести стали о^ при одноосном напряженном состоянии и произвольном режиме нагружения ст (0 :

I

/а(1)ас11 = 1зО?.

о

Выводы отечественных и зарубежных исследователей относительно повышения предела текучести сталей при кратковременных динамических нагрузках можно распространить и на цилиндры гидростоек шахтных механизированных крепей и, учитывая значения полученных динамических коэффициентов, задать запас прочности, равный полуторакратному, устанавливаемому для восприятия крепью кратковременных нагрузок, вызываемых резкими осадками кровли.

Повышение запаса прочности до 1,5РКЛ позволяет увеличить динамическую энергоемкость гидростоек и секции крепи в целом без внесения конструктивных изменений. Это предусмотрено в разработанных типовых методиках сертификационных испытаний и государственных стандартах, приведенных в разделе «Общая характеристика работы».

В четвертой главе исследованы и проанализированы динамические нагрузки, воздействующие на крепь в шахтных условиях.

При изучении механизма взаимодействия вмещающих пород и механизированной крепи проведены инструментальные исследования, в частности:

выявлены характерные проявления горного давления в очистном забое при отсутствии технологических процессов и при ведении очистных работ;

определены режимы работы стоечных предохранительных клапанов механизированной крепи;

зарегистрирован характер абсолютных смещений почвы и кровли при ведении очистных работ;

изучено локальное влияние отдельных технологических процессов на характер воздействия боковых пород на крепь (работа комбайна, передвижение секций крепи, ведение взрывных пород и др.);

зарегистрирован процесс первичной осадки кровли с предшествующими и последующими проявлениями горного давления;

определены частоты колебаний системы «кровля - крепь» при динамических проявлениях горного давления.

При исследованиях реализован принцип максимально возможного дублирования измеряемых параметров и их производных с необходимой точностью и высокой разрешающей способностью не только в трехмерном пространстве (по падению, простиранию и высоте), но и с учетом реального времени осуществления технологических циклов, когда все

параметры регистрируются непрерывно в течение всего эксперимента и при этом выявляется их взаимозависимость.

Была использована высокоточная измерительная и регистрирующая аппаратура, которая удовлетворяла следующим требованиям: частотный диапазон измерительных каналов в пределах 0,1-100 Гц; динамический диапазон каждого из измерительных параметров для запуска осциллографа не ниже 50 дБ; наличие согласующего комплекса для задержки и последующей выдачи любого из регистрируемых параметров с усилением.

В соответствии с поставленными целями изучения нестационарных процессов, сопровождающих динамические проявления горного давления, были выбраны забои, в которых в кровле залегали мощные и прочные породы с стсж > 60 МПа, а почва была достаточно прочной и препятствовала вдавливанию оснований секций крепи.

В период экспериментальных исследований, которые длились от 60 до 90 ч в зависимости от сложности программы, осуществлялась непрерывная контролируемая регистрация измеряемых параметров.

На рис. 5 показана блок-схема измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Блок-схема измерительной и регистрирующей аппаратуры, используемой в шахтном эксперименте

На рис. 6 показана схема установки датчиков в очистном забое. Разработанная методология шахтных экспериментальных исследований взаимодействия боковых пород и крепи в статическом и

динамическом режимах позволила выявить закономерности формирования нагрузок на крепь в условиях осуществления технологических процессов добычи и при резких осадках кровли, обусловленных обнажениями больших площадей выработанного пространства. Зарегистрированы скорости смещений кровли в диапазоне 2-10"4-2,3-103 мм/ч, что составляет разницу 1,2-109 крат.

Схема установки датчиков в забое

Ж!

и

№38

Е

л:

иг

0

N3 39

Рис. 6

Большой массив данных (свыше 500) по ускорениям, скоростям и смещениям кровли дал возможность выявить наиболее характерные значения кинематических и динамических показателей при взаимодействии крепи и кровли при различных технологических работах, выполненных в комплексно механизированном забое.

Анализ зарегистрированных проявлений горного давления в рассматриваемых условиях показал, что при передвижении секции крепи возможны существенные воздействия кровли на крепь, которые могут быть соизмеримы с ее сдвижениями в условиях вторичных осадок. Различие заключается в том, что такие смещения кровли, вызванные технологическими процессами при ведении очистных работ, повторяются регулярно, причем вероятность увеличения их интенсивности по мере подвигания лавы к линии вторичной осадки возрастает.

Исследования показали лавинообразное динамичное нарастание скоростей и ускорений сдвижения кровли в этот период работы комбайна и передвижки секций. Максимальные скорости опускания кровли составили около 50 мм/с как результат кратковременной разгрузки

соседних секций, а раздельно зафиксированные ускорения сдвижения почвы и кровли достигали воздействия с коэффициентом динамичности 1,7. Это даёт основание считать, что в условиях очистных забоев при наличии мощных монолитных кровель гидростойки должны быть оснащены предохранительными клапанами на максимальные расходы не ниже 200 л/мин для защиты гидросистемы от забросов давления, создающих малоцикловые нагружения.

На рис. 7 представлена типичная осциллограмма сдвижения кровли при последовательном передвижении секции крепи.

Характерная осциллограмма сдвижения кровли

Рис. 7

Анализ осциллограмм затухающих колебательных процессов системы «необрушенная кровля - крепь», вызванных взрывными работами на участке, показал, что при значениях параметров колебательной системы, составляющих период Т = 3 с и амплитуды XI = 3,5 мм и х2 = 0,3 мм, можно определить декремент колебаний т) и коэффициент затухания а.

При условии Х2=Х1е"аТ т}=1пх|/х2,

после замены г| = а Т для данного процесса получим а = 0,82 с'1.

Известно, что затухающие колебания системы происходят, если удовлетворяется условие а < ю. В рассмотренном случае со = 2,1 с'1, т.е. условие затухания колебательного процесса соблюдается.

Первичная осадка кровли была зарегистрирована на шахте «Ленинградская», когда лава отошла от разрезной печи на 58 м. При этом площадь необрушенной основной кровли составила около 7000 м2. В этот период очистные работы в лаве не проводились. По данным осциллографирования составлена хронограмма этого явления, представленная в табл. 4.

Таблица 4

Хронограмма первичной осадки кровли на шахте «Ленинградская» ____I

Период времени Скорость Давление в гидростойке

нарастания секции № 59,

давления, МПа

мин

ч С МПа/ч

22 38 00 0,5 17,5

2 50 10 0,7 19,0

2 59 30 2 2

8 38 00 1,0 27,5

9 10 00 4,0 29,5

9 22 00 12,5 31,0

9 32 00 17,0 35,5

9 39 00 20,0 37,5

: 9 47 00 Интенсивное срабатывание клапанов 39-43,5

9 47 25 Начало удара 44,0

9 47 27 Максимум 56.5-57

9 47 28 Падение нагрузки 36,0

9 47 37 Повторное возрастание 42,0

' 9 47 37 Повторный удар 45,5

9 47 54 Падение нагрузки 36,0

9 48 00 То же 27,0

Приведенная осциллограмма показывает процесс развития и проявления первичной осадки кровли и последующее снижение нагрузки на секции крепи (рис. 8).

Мгновенная скорость опускания кровли составила около 70 мм/с, давление в поршневых полостях гидростоек повысилось соответственно в секции № 59 до 55 МПа и в секции № 58 до 52 МПа. В гидростойке секции № 57 давление возросло до 57 МПа. Давление в гидростойке переднего ряда секции № 58 увеличилось с 32 до 40 МПа.

Осциллограмма первичной осадки кровли

Рис. 8

Анализ данных, зарегистрированных во время эксперимента, показал, что первичная посадка кровли в рассматриваемых условиях вызвала кратковременное интенсивное нагружение всех секций в лаве, при этом крепь работала как гидротормозная система под воздействием импульсной нагрузки. Это подтверждается характером опускания штоков гидростоек, когда их перемещение прекратилось в момент достижения гидростойкой максимального сопротивления.

В период посадки кровли зарегистрированы колебания давления в поршневых полостях гидростоек периодом около Т = 0,2-0,3 с, что соответствует частоте колебаний системы со = 20-30 с"1 . При этом процесс опускания штока гидростойки представлял собой типичное

апериодическое движение, что обусловлено значительным внутренним сопротивлением системы.

Ревизия состояния секций крепи в лаве после осадки кровли показала, что на секциях № 43, 49 и 66 разрушены гидроцилиндры стоек, у секции № 80 разрушено основание, гидростойки секций № 34, 46, 56 и 97 потеряли герметичность вследствие повреждения поршневых уплотнений.

На основе фрактографического метода проводилось сопоставление характера разрушения цилиндра гидростойки с характером разрушения так называемых модельных образцов из неразрушенной части цилиндра.

Анализ изломов был проведен на макро- и микроуровнях. Визуально, с помощью оптического микроскопа (при 40-кратном увеличении), оценена пластическая деформация на макроуровне по геометрии изломов. Установление механизма разрушения и оценка пластической деформации на микроуровне проведены с помощью растрового электронного микроскопа при 2000-кратном увеличении.

Основное внимание при этом было уделено испытаниям модельных образцов с различной скоростью нагружения и при различных концентраторах напряжений.

Результаты фрактографического анализа образцов и их сопоставление с результатами механических испытаний показали, что разрушение гидростойки произошло в результате кратковременных циклических погружений от первичной хрупкой трещины, возникшей в материале сварного шва. При достижении трещиной критических размеров она сыграла роль острого концентратора напряжений и привела к катастрофическому распространению магистральной (основной) трещины под воздействием однократной экстремальной нагрузки.

В пятой главе изложены результаты стендовых исследований натурной модели гидростойки механизированной крепи с целью проведения физической и математической модели системы «кровля -крепь» и сопоставления результатов с шахтным экспериментом.

Исследования были проведены на стенде К-100 СибНИА им. С.А.Чаплыгина по разработанной автором методике. Оценивалась консервативная, однопараметрическая, колебательная, упруго-пластическая система, работающая под воздействием кратковременной нагрузки.

Бйла подтверждена принципиальная возможность моделирования предельной динамической нагрузки на гидростойку механизированной крепи, качественно и количественно адекватной реальным воздействиям, возможным при эксплуатации крепей в условиях труднообрушаемых

кровель. В дальнейшем указанный метод успешно применялся при исследованиях гидростоек на динамические нагрузки с предохранительными клапанами различных конструкций.

На стенде была осуществлена натурная имитация резкой осадки кровли в виде внезапно приложенной массы, расположенной над предварительно нагруженной гидростойкой шахтной крепи. Расстояние между массой и головкой штока гидростойки было минимальным (рис. 9).

Схема установки гидростойки на стенде К-100

Рис.9

Система нагружения стенда была организована так, что центры тяжести нагрузочной клети массой 100 т и её толкателя находились на продолжении продольной оси вертикально установленной стойки с тем, чтобы обеспечить центральную ударную нагрузку.

В процессе экспериментов были определены:

- частота и период колебаний системы «масса - гидростойка» при свободном положении нагрузочной клети без системы, предотвращающей её обратный ход, т.е. при свободных затухающих колебаниях в случае упругого удара;

- частота и период колебаний системы «масса - гидростойка» при неупругом ударе, характерном для реальной системы «кровля -крепь»;

- коэффициенты динамичности при различных условиях силовой реакции гидростойки;

- скорости опускания выдвижной части гидростойки при различной величине начального распора;

- характер изменения жёсткости гидростойки при динамической нагрузке;

- сопоставимость количественных и качественных показателей, отражающих характер колебательных процессов системы «масса -гидростойка» в стендовых и шахтных условиях.

Анализ полученных параметров колебательной системы «масса-гидростойка» подтвердил, что мы рассматриваем типичный затухающий колебательный процесс. Это позволило с определенной достоверностью установить один из главных параметров рассматриваемой системы -коэффициент её жесткости Кж.

Был проанализирован процесс кратковременного динамического воздействия в условиях, когда нагрузка (воздействующая масса) была меньше несущей способности гидростойки. В этом случае предохранительный клапан был настроен на давление 50 МПа, что обеспечивало номинальное рабочее сопротивление гидростойки около 15,7 МН.

При малом начальном распоре гидростойки зарегистрирована максимальная нагрузка 1,83 МН, что определило динамический коэффициент % = 1>9 при максимальной скорости опускания стойки около 200 мм/с.

При увеличении начального распора гидростойки до 25 МПа, характер кинематической и силовой реакции на кратковременную нагрузку существенно изменился. Установлено, что почти в два раза (до 80 мм/с) снизилась скорость перемещения поршня, а величина максимального давления составила 34,4 МПа при динамическом коэффициенте % = 1,3. Вместе с тем период колебаний системы существенно не изменился и составил Т = 0,29 с (со = 22 с-1).

Анализ реакции гидростойки в условиях различной величины начального распора и имеющей рабочее сопротивление, превышающее величину ударной массы, показал, что при внезапном ее нагружении рост давления в поршневой полости характеризуется полиномиальной функцией с высокой корреляционной связью, определяемой совокупным коэффициентом множественной детерминации Я2, равным 0,97-0,99.

Значение коэффициента жесткости Кж в период воздействия динамической нагрузки нелинейно и характеризуется логарифмической функцией и коэффициентом множественной детерминации Я2 = 0,95.

На рис. 10 представлены графики обработки осциллограмм, полученных при ударном нагружении в условиях малого начального распора (Р[ и V)) и высокого распора (Р2 и У2).

Показано, что в случае малого начального распора гидростойки, даже при воздействии незначительных кратковременных нагрузок весьма вероятны высокие скорости перемещения поршня, что вызывает забросы давления при динамическом коэффициенте, достигающем значения 1,9.

При увеличении начального распора гидростойки, в условиях относительно малой воздействующей массы, уже при страгивании поршня в начальный период воздействия возникает значительная по величине тормозящая сила, которая не позволяет разогнать массу и ограничивает перемещение поршня.

Изменение давления (Р[, Р2) в рабочей полости поршня (V], У2) под действием динамической нагрузки в пределах упругой деформации гидростойки

Х.мм

Рис. 10

За этот период запасенная потенциальная энергия свободно подвешенной массы переходит в кинетическую энергию движения, реализуемую системой «масса - гидростойка», которая по мере опускания поршня гидростойки снова переходит в потенциальную энергию гидростойки, нагруженной внутренним давлением в поршневой полости.

Характер изменения жесткости гидростойки при рассматриваемых условиях эксперимента подтверждает факт переходного процесса при страгивании поршня, нелинейный характер запаздывания деформации стального цилиндра и кратковременное увеличение модуля его упругости при нагрузках, составляющих доли секунды, что согласуется с выполненным теоретическим анализом.

В последующем условия эксперимента были изменены так, чтобы оценить реакцию гидростойки при воздействии на нее предельной нагрузки, при которой гидростойка развивает сверхсопротивление.

По заданному условию эксперимента величина грузоподъемности (несущей способности) гидростойки должна быть примерно равна значению массы нагрузочной клети стенда.

При малом начальном распоре зарегистрировано значительное перемещение поршня -21 мм и существенное пиковое приращение давления до 38 МПа. Предохранительный клапан 'был оборудован сливным каналом, направленным в атмосферу, и при этом ударе срабатывал, что наблюдалось визуально как выброс из надклапанного отверстия водяной пыли, сопровождаемый характерным звуком, похожим на взрыв.

Остаточное давление в поршневой полости составило 30 МПа. Весь процесс длился 0,08 с.

На рис. 11 показаны результаты анализа осциллограмм при нагружении гидростойки предельной нагрузкой при малом начальном распоре (скорость У3 и давление Рз) и при повышении начального распора

(У4 и Р4).

Изменение давления (Рз, Р4) и скорости поршня (У3, У4) в рабочей полости гидростойки под действием предельной динамической нагрузки

Р, М№ V, см/с 46 -

40

25

X, мм

Рис. 11

Опускание поршня гидростойки под воздействием динамической нагрузки при открытом предохранительном клапане можно рассматривать

как работу упругопластической системы в координатах «деформация (или перемещение поршня) - напряжение (давление в поршневой полости)». На первом этапе ударного воздействия при нарастании давления вследствие опускания поршня до открытия клапана - это, очевидно, область упругих деформаций системы. На втором этапе движение поршня вызывает не только продолжение роста давления, но и «необратимые деформации системы» за счет вытекающей через клапан рабочей жидкости. После того как скорость поршня под действием тормозящих сил станет равной нулю и опускание выдвижной части гидростойки прекратится, величина ее гидравлической раздвижности уменьшится на величину, определяемую объемом вытесненной через клапан жидкости, т.е. произойдут «необратимые деформации» или, в терминах механики, «пластические деформации». Именно такие явления происходят при работе гидростойки со срабатывающим предохранительным клапаном.

При увеличении величины начального распора до значения 16 МПа заброс давления при кратковременной внезапной нагрузке достигает почти 42 МПа, но перемещение поршня составляет всего 10,2 мм, как это показано на рис. 12.

Осциллограмма реакции гидростойки на предельную динамическую нагрузку при увеличении начального распора

Р, "" и 1 V. — . 1 1 1 I I I 1 1 1 | ] 1

Дх»= 0 ^^ ^ ~4-

Р„„ 16 МПаЛ 7о,5мМ Т1 \ у'--\ 29 МПа

I | 0,2 с ' 1 | 1 1 1

1 !

/ V Тб | I ] ^ | 1 !

Рис. 12

Особенностью кинематики поршня при этих и последующих экспериментах было то, что движение поршня прекращалось сразу по

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА I С.Петербург 5 08 ЮО «гг I

достижении давления срабатывания клапана, хотя рост давления продолжался в течение полупериода колебаний системы.

Обращает на себя внимание соотношение характера перемещения поршня и роста давления в поршневой полости гидростойки. Даже, когда перемещение поршня прекратилось после открытия предохранительного клапана, давление продолжает возрастать еще в течение 0,03-0,04 с вместе с ростом усилия (нагрузки). Это говорит о том, что под действием динамической нагрузки, даже после открытия предохранительного клапана, существуют условия возникновения пиковых давлений под воздействием волновых процессов в поршневой полости гидростойки.

График изменения давления Р4 (см. рис. 11) показывает, что характер изменения этого показателя в функции перемещения изменился после открытия предохранительного клапана, однако скорость опускания даже при увеличении тормозящей силы под действием увеличенного начального распора была высокой и составила 300 мм/с.

Динамический коэффициент % в условиях выполненных экспериментов для предельных нагрузок составлял 1,8-1,9, что показывает наиболее близкое значение теоретической закономерности изменения

кратковременной нагрузки вида ОД = эттг~ и ОД = у (1 - сов2 Шх) .

Изменение жесткости системы по данным, полученным в результате экспериментов в условиях предельных нагрузок, показано на рис. 13, а -Кжз и КЖ4 = Г (0 и на рис. 13, б - Кжз, Кж4 = ? (х)> что подтверждает постоянство этого показателя даже при работе предохранительного клапана.

Анализ результатов проведенных стендовых исследований показал возможность практической реализации способа экспериментального изучения действия предельных динамических нагрузок на гидравлические стойки шахтных крепей в условиях реальных моделей. Способ основан на корректности подхода к представлениям о характере взаимодействия внезапно приложенной нагрузки со стороны кровли на упругую систему гидростойки.

Экспериментально доказано, что в условиях динамических нагрузок на гидростойку шахтной крепи всегда имеют место забросы давления. Даже при наличии стоечного предохранительного клапана они возникают в первой четверти периода колебаний системы, когда инерционный предохранительный клапан системы закрыт, и работа, осуществляемая гидростойкой по сопротивлению динамической нагрузке проходит в режиме упругих деформаций её гидроцилиндра, т.е. в данном случае время возрастания давления зависит только от основных характеристик колебательной системы.

Графики изменения жесткости (ВКж) гидростойки при работе под действием предельной динамической нагрузки

Кж, МПа/чм

Кж, МПа/мм

Кж

О 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1

1, С

25 X, мм

Рис. 13

Следует отметить хорошую сходимость характера кинематики поршня гидростойки под воздействием предельной нагрузки, близкой к ее несущей способности, с характером, полученным при шахтном эксперименте. Прежде всего это касается того момента, когда при достижении в гидростойке максимального давления (максимальной восстанавливающей силы) просадка ее выдвижной части прекращается. Движение поршня при этом носит апериодический характер или характер быстрозатухающего колебательного процесса. Частоты и периоды собственных колебаний согласуются с расчетными данными. Динамические коэффициенты системы составляют 1,8-1,9 и близки к рассмотренным в теоретическом разделе работы, что позволило обосновать предложенный способ динамических испытаний гидростоек механизированных крепей.

Установлено, что кратковременное воздействие нагрузки на гидростойку происходит в течение от первого полупериода до периода собственных колебаний системы.

Проведенные эксперименты позволили также выявить качественные и количественные показатели механизма передачи потенциальной энергии внезапно освобожденной массы, воздействующей на упругую и

упругопластичную систему, которую представляет гидростойка. Установить, как работает гидростойка под действием предельной для нее динамической нагрузки и подтвердить правильность разработанных теоретических представлений механизма кратковременного действия на нее инерционной массы.

Были экспериментально подтверждены разработанные теоретические положения:

динамический коэффициент при кратковременной нагрузке на гидростойку не зависит от условий работы ее предохранительного клапана и составляет 1,3-1,9;

с увеличением начального распора гидростойки существенно уменьшается скорость и величина её просадки под действием динамической нагрузки.

В шестой главе приводятся результаты сопоставления расчетных и реальных характеристик системы «кровля - крепь», а также анализ материалов экспериментальных и аналитических исследований из смежных отраслей, где изучаются колебательные процессы, происходящие в динамической системе «грунт - подземные сооружения» в период интенсивных сейсмических явлений, вызванных землетрясениями.

На основе анализа записей ускорений и перемещений, полученных при измерениях в период интенсивных землетрясений, показано, что на глубинах около и свыше 100 м эти показатели удовлетворительно согласуются с результатами проведенных нами измерений в шахтных и стендовых условиях. Так, значения периода совместных колебаний грунтов, сложенных из осадочных пород, и стенок тоннелей глубокого заложения составляли Т = 0,35-0,5 с при амплитудах, определяемых жёсткостью крепления их податливых элементов. В «Руководстве по проектированию подземных сооружений в сейсмических районах» даны рекомендации по расчёту максимальной несущей способности «обделки» в зависимости от динамических характеристик колебательной системы «грунт - крепление». Рекомендуется графическая зависимость х= ? (Т)> где в пределах периодов колебаний Т = 0,2-0,8 с динамический коэффициент составляет %= 1,6-1,1.

Приведенные значения частот и динамических коэффициентов, сопровождающих колебания чрезвычайно больших масс, показывают сходимость с полученными нами характеристиками системы «кровля -крепь».

При сопоставлении теоретических и реальных динамических реакций крепей с различными силовыми параметрами и жёсткостями в широком диапазоне варьирования мощностей основной кровли и

мощности отрабатываемых пластов проведены расчеты для условий первичной осадки кровли.

Принята установленная закономерность для рассматриваемого процесса - кратковременность воздействия кровли на крепь, которое характеризуется также прекращением смещения кровли после достижения секцией крепи максимальной нагрузки.

Исходные данные для расчета принимались по известным характеристикам пород основной кровли и мощности отрабатываемого пласта и характеристикам секции крепи КГПК и ее гидростоек.

На рис. 14 показаны сравнительные графики фактических значений давления в гидростойке и опускания кровли при первичной осадке в режиме реального времени и расчетный график реконструкции этого явления.

Первичная осадка кровли.

Реальные колебания давления Рф при осадке кровли Хф и их расчетные значения Рр и Хр

Р, МПа

Рис. 14

Расчетные значения мгновенной скорости просадки стойки Утах = 75 мм/с и энергии, затрачиваемой гидростойкой при противодействии этой нагрузке А р = 2,7-104 Дж, превышают фактические значения Уф ~ 66 мм/с и Аф = 2,4-104 Дж. Это объясняется тем, что принятые нами допущения исходили из условий абсолютной сплошности пород кровли, имеющей постоянные физико-механические свойства мгновенного её разрушения и других допущений, которые привели к увеличению расчетных величин. Завышенные значения расчетных параметров нагрузки и смещений идут в «запас прочности» 1 н . расчета и могут уточняться при накоплении информации.

.Кроме того, были выполнены расчеты для секций с удельными значениями сопротивлений 3,6; 7,2; 1,08; 1,44 МПа или несущими способностями 2,5; 5,0; 7,5; 10 МЫ.

При одном принятом значении величины мощности основной кровли Ьо, которая варьировалась от 15 до 60 м, для всех рассматриваемых случаев получено 378 вариантов решений, всего рассмотрено 2268 решений.

Общее решение показывает, что при сохранении общей тенденции увеличения просадки стоек под действием статической нагрузки при увеличении мощности пласта основной кровли существенную роль играют силовые параметры гидростоек секции крепи, с увеличением несущей способности крепи существенно уменьшается опускание кровли. Очевидна тенденция увеличения частоты колебаний системы при уменьшении жёсткости гидростоек, т.е. теоретически можно создать такую крепь, при которой будет существенно снижено влияние инерционных сил в период динамических проявлений горного давления вследствие того, что относительное время действия силы т* будет превышать значение 3 и более. Можно также существенно увеличить жёсткость крепи и при этом также избежать проявления инерционных сил ввиду того, что относительное время воздействия т* будет составлять малые доли периода колебаний и стремиться к началу зависимости % = ^т") (см. рис. 4).

Анализом значений скоростей опускания кровли в зависимости от свойств пород основной кровли и силовых характеристик крепи, полученных в расчете, установлено, что с увеличением несущей способности крепи снижаются скорости опускания кровли при резких осадках даже для условий чрезвычайно мощных пластов основной кровли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей законченную научно-исследовательскую работу, решена научная проблема разработки теоретических основ динамического взаимодействия шахтных механизированных крепей с породами кровли, что имеет важное народнохозяйственное значение для развития теоретических и экспериментальных исследований работы крепей в условиях труднообрушаемых кровель с целью повышения безопасности труда, создания надежных конструкций и повышения конкурентоспособности отечественной техники.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности динамического взаимодействия колебательной системы «кровля - крепь». Установлена зависимость динамического коэффициента системы от закона действия силы, когда эта сила не является периодической функцией и описывается линейными и нелинейными формами вида: f (t) = 1; f (t) = t/т; f (t) = sin n t/т; f(t) = 2t/i; f(t)= '/2(1 - cos2tc t/i).

Характер движения имеет вид апериодического или затухающего колебательного процесса с динамическим коэффициентом %= 1,3-1,9.

2. Установлена закономерность формирования критических нагрузок, превышающих несущую способность крепи при обрушении пород кровли за время соизмеримое с периодом собственных колебаний консервативной системы «кровля - крепь».

3. В результате теоретических исследований определена и экспериментально подтверждена взаимосвязь между силовыми и динамическими параметрами крепи (рабочим сопротивлением и жесткостью гидростоек) и физико-механическими свойствами пород кровли, определяющими динамические характеристики системы «кровля -крепь» при резких осадках. С увеличением рабочего сопротивления крепи от 0,3 до 1,44 МПа и жёсткости её гидростоек с 4,0 до 0,5 МПа/мм период колебаний системы возрастает от 0,25 до 1,1 с и, соответственно, снижается динамический коэффициент.

4. Разработана методология расчетов по определению кинематических, силовых и динамических параметров механизированных крепей в период резких осадок кровли, результаты которых устойчиво согласуются с результатами измерений, с ошибкой до 15%, подтверждая корректность принятых допущений и справедливость концепции расчёта динамических характеристик системы «кровля - крепь» в диапазоне

мощности пластов основной кровли 10-60 м при удельном сопротивлении секции крепи от 0,3 до 1,5 МПа. '

5. На основе теоретической модели взаимодействия системы «кровля - крепь» дан метод вычисления динамического коэффициента, начиная с момента начала обрушения пород кровли и далее в течение относительного времени т* = 0^-5, определяемого соотношением реального времени действия силы т к периоду колебаний системы Т. Показано, что наибольшее значение динамический коэффициент имеет при т* > 1/2 для импульсной нагрузки и при т* ~ 1 для нелинейного закона изменения силы. Установлено, что при т*> 3 динамическая составляющая не превышает 15% и при т* = 5 динамические явления практически не значимы.

6. Разработаны методологические основы экспериментальных исследований быстропротекающих проявлений горного давления в забоях с механизированными крепями и при моделировании процессов в стендовых условиях. Методы, основанные на применении высокоточной измерительной аппаратуры, позволили выявить закономерности формирования нагрузок на крепь в периоды статического и динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» в режиме реального времени. Получены скорости просадки гидростоек крепи от 2-10'4 до 2,3-105 мм/ч, т. е. в диапазоне девяти порядков при минимальном времени взаимодействия 0,01-0,8 с. Выявлены частоты собственных 'колебаний системы «кровля-крепь» со = 20-30 с"1 с периодом Т = 0,31- 0,21 с для условий первичной осадки.

7. Научно обоснован, разработан и реализован на отечественном испытательном оборудовании метод моделирования динамической нагрузки на крепь, заключающийся в нагружении гидростойки крепи массой, адекватной её несущей способности с коэффициентом динамичности не более двух при неупругом ударе. Показано, что нагрузки, создаваемые этим способом, воспроизводят реальные кратковременные воздействия кровли на крепь, соответствующие действующим в шахтных условиях при резких осадках кровли как по времени воздействия, так и по закону изменения силы от функции времени.

8. Обосновано и внесено в нормативные документы увеличение запаса--прочности гидростоек крепей до 1,5 Рн, исходя из условия кратковременных нагрузок на механизированную крепь при резких осадках кровли.

9. На базе выполненных исследований разработан и принят Госстандартом РФ, Минэнерго РФ и Минуглепромом СССР комплекс основополагающих нормативно-методических документов по испытаниям и сертификации механизированных крепей и их элементов,

предусматривающих учет динамических явлений в процессе их эксплуатации.

В период 2000-2002 г.г. по указанным документам проведена сертификация в государственной системе ГОСТ Р следующего серийно выпускаемого оборудования (табл. 5):

Таблица 5

Данные сертификации механизированных крепей и их элементов на заводах РФ и за рубежом

Наименование Изготовитель Номер сертификата, срок действия

Механизированные крепи: КД-90, КД-90Т Каменский маш-завод, г. Каменск-Шахтинский (Россия) № РОСС Яи.МШОЗ.В00068 № РОСС 1Ш.МШ03.В00069 с 10.04.2000 г.

Гидрораспределители ЭР АЗ 2 завод «Пневматика», г. С-Петербург (Россия) № РОСС RU.Mm03.B00110 с 29.12.2000 г.

Гидрозамки КГУ 3.020 То же № РОСС RU.M1II03.B00111 с 29.12.2000 г.

Гидроклапан 1МК97 То же № РОСС RU.Mm03.B00112 с 31.01.2001 г.

Стойки призабойные: ГВКУ, ГКУМ и ГКУ ТОО «Машзавод», г.Караганда (Казахстан) № РОСС KZ.Mm03.B00191 № РОСС KZ.Mm03.B00192 № РОСС KZ.Mm03.B00193 с 09.09.2002 г.

Механизированная крепь 1М88 «Дружковский машзавод», г. Дружковка (Украина) № РОСС иА.МШОЗ.АОО 127 с 20.11.2001 г.

Механизированные крепи: «Fazos-19/3 7Poz, «Fazos-19/3 7В SN АО «Fazos», г. Катовице (Польша) № РОСС РЬ.МШ03.А00077 с 12.07.2000 г.

- Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Shein Y.G. Dynamiczne obci^zenia zmechanizowanej obudowy scianowej //Kierunki Mechanizacji gornictwa do 2010 roku, т.2, Biblioteka Komtech, 2002, s.21-27.

2. Шеин Ю.Г. Новая концепция динамического взаимодействия системы «кровля - шахтная крепь»//Науч.сообщ./ИГД им.А.А.Скочинского,-М.| 1999.-Вып.311.- С.163-169.

3. Докукин А.В., Пономаренко Ю.Ф., Шеин Ю.Г. и др. (СССР), Корбуй Й. (ВНР), Хаджидимов Г.И. (НРБ). Совершенствование гидропривода механизированных крепей. - М.; Машиностроение, 1984.-248 с.

4. Shein Y. «Nova zasada oceny statecznosci obudowy zmechanizowanej w warunkach dynamicznego jbciazenia stropu». KOMAG «Bezpieczna eksploatacja obudow zmechanizowanych w warunkach technicznej restrukturyzacji gornictwa»// Szczyrk, Listopad, 1999, s.44-49.

5. Шеин Ю.Г. О корректности результатов стендовых испытаний шахтных крепей на динамические нагрузки//Науч. сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского.- М., 2001.-Вып.320.-С.178-184.

6. Шеин Ю.Г. Повышение предела текучести стали при динамических нагрузках// Науч.сообщ./ИГД имЛ.А.Скочинского.- М.,1987.- Вып.212.-С.22-26.

7. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Динамика проявлений горного давления при работе механизированной крепи//Уголь.-1984,- №2,- С.14-17.

8. tsp ю.ф.кфч-stí- , , тшж жжх ,

Жзх Ш. ШШЖШШШШЯ® ЪЖ^Т&Ъ ««Iiiasit , 1990, 343 с.

9. Шеин Ю.Г. Сертификация и сертификационные испытания гидравлических элементов и систем// Сб. «V Конференция по гидравлике и пневматике».- Болгария, Казанзык, изд.НТС по машиностроению» 1988.-С.251-256.

10. Шеин Ю.Г. Результаты динамических разрушений кровли -разрушение гидростоек крепей // Науч. сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского,-М., 2000.- Вып.317.- С.219-224.

11. Шеин Ю.Г., Пономаренко Ю.Ф. Основные направления развития гидропривода механизированных крепей // Науч.сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского,- М., 1974.- Вып. 117.- С.31-39.

12. Шеин Ю.Г. Нестационарные процессы в гидросистемах механизированных крепей// Сб. «Ц Конференция по гидравлике и пневматике».- Болгария, Казанзык, изд.НТС по машиностроению, 1974.-С.151-158.

13. Шеин Ю.Г. Раевский В.Г., Радулов В.Е. Сертификационные испытаний стоек призабойных гидравлических (типовая программа и методика). Система сертификации изделий угольного машиностроения,-М.; ИГД им. А.А.Скочинского, 1993,- 20 с.

14. Шеин Ю.Г., Савченко Б.В. Сертификация продукции и оборудования топливно-энергетического комплекса Российской Федерации. Основные положения,- М.; ИГД им.А.А.Скочинского, 1994.84 с.

15. Пономаренко Ю.Ф., Баландин A.A., Шеин Ю.Г., Ауэрбах В.К. Нелинейные параметры гидросистемы механизированной крепи// Науч.сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского,- М., 1976,- Вып. 137.- С.35-42.

16. Пономаренко Ю.Ф., Шеин Ю.Г., Суслов Н.И. Исследование герметичности гидростоек механизированных крепей// Науч.сообщ./ ИГД им.А.А.Скочинского.- М., 1974.- Вып.122,- С.101-104.

17. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Результаты измерений динамических проявлений горного давления// Сб. «VIII Всесоюзная конференция по механике горных пород».- Тбилиси; Ротапринт ИПКОН АН СССР, 1985.- С.7-8.

18. Михальченков А.М., Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Характерные проявления горного давления при отработке месторождений сланца длинными лавами с полным обрушением кровли// Сб. «Совершенствование технологии комплексной механизации на сланцевых шахтах и разрезах»,- Кохтла-Ярве; изд. ЭФ ИГД им.А.А.Скочинского, 1988.- С.23-25.

19. Шеин Ю.Г., Лукашин М.С. Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания гидравлических стоек механизированных крепей (Типовая программа и методика).- М.; ИГД им.АЛ.Скочинского, 1991.- 28 с.

20. Фирстов В.Д., Белый A.A., Шеин Ю.Г. Гидродинамический стенд для исследования работы клапанов механизированных крепей// Горные машины и автоматика.- 1975.- №9.- С.9-12.

21. Патент SU 2054552. Способ Шеина испытаний гидравлических стоек шахтной крепи/ Ю.Г.Шеин.- Заявлен 20.11.1992, опубл. 20.02.1996, Б.И. № 5.

22. A.c. № 1518534. Способ поддержания очистного забоя и секция механизированной крепи для его осуществления/ Ю.Г.Шеин, Р.Г.Левинтант и др.- Заявлено 13.04.1989, опубл. 30.10.1991, Б.И. № 40.

23. A.c. № 564452. Способ определения герметичности гидроцилиндра/ Ю.Г.Шеин, Ю.Ф. Пономаренко.- Заявлено 14.11.1974, опубл. 05.07.1977, Б.И. № 25.

24. A.c. № 806871. Способ испытаний гидростоек шахтной крепи на долговечность/ Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко, Н.И.Суслов и др.- Заявлено

. ,19,03,1974, опубл. 23.02.1981, Б.И. № 7.

25. Патент CSR № 181187. Предохранительный клапан для гидростоек шахтных крепей/ В.Н.Хорин, Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко и др. (СССР), К.Балаж, Й.Корбуй, Б.Шебештен и др. (ВНР).- Заявлен

05.09.1975, выдан 15.01.1980.

26. Патент Австрии № 359792. Механизированная крепь - концевая арматура МРВД/ Ж.Пап, Й.Бажо, Ш.Микеш и др. (ВНР), Н.Т.Богатырев, А.Д.Игнатьев, Е.Г.Филянович, Ю.ПШеин и др. (СССР).- Заявлен

03.10.1976, выдан 25.11.1980.

,27. Патент Венгрии № 166934. Испытательный стенд/ А.Д.Игнатьев, Н.Т.Богатырев, Ю.Г.Шеин и др. (СССР), Н.Хус, К.Сёке, К.Балаж и др. (ВНР).- Заявлен 23.03.1973, зарегистрирован 31.05.1976.

28. Патент Великобритании № 1563652. Механизированная крепь -концевая арматура МРВД/ Н.Т.Богатырев, А.Д.Игнатьев, Ю.Г.Шеин и др. (СССР), Ж.Пап, Й. Бажо, Ш.Микеш (ВНР)/ Заявлен 03.03.1977, получен

26.03.1980. Уведомление The patent office GB 28.05.1980.

29. Патент CSR № 189046. Концевая арматура многоканального рукава механизированной крепи/ Н.Т.Богатырев, А.Д.Игнатьев, Ю.Г.Шеин и др. (СССР), Ж.Пап, Й. Бажо, ШМикеш (ВНР). Заявлен 09.03.1977, выдан

15.08.1981.

30. Патент (а.с. НРБ) № 26607. Клапан/ НИ.Суслов, Ю.Ф.Пономаренко, Ю.Г.Шеин и др. (СССР), Г.И.Хаджидимов, П.П.Вербанова, М.Ж. Велев (НРБ).- Заявлен 14.02.1979, получен 15.04.1,980, Б.И. №4.

31. A.c. № 1317126. Способ управления кровлей при подземной разработке пластовых месторождений горючих сланцев/ Ю.Г.Шеин, А.М.Михальченков и др.- Заявлено 19.02.1985, опубл. 15.06.1987, Б.И. №22.

32. A.c. № 810980. Предохранительное устройство/ В.Д.Фирстов, Ю.ГШеин, Ю.Ф.Пономаренко и др.- Заявлено 01.02.1977, опубл. 06.11.1980, Б.И.№ 9.

33. А.с.'№ 505826. Пневмогидравлический аккумулятор/ Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко и др.- Заявлено 19.08.1974, опубл. 25.08.1978, Б.И. №31.

34. A.c. № 661112. Механизированная крепь/ Ю.Г.Шеин,

A.С.Архангельский.- Заявлено 15.01.1979, опубл. 05.05.1979, Б.И.№ 17.

35. A.c. № 673792. Устройство управления/ Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко и др.- Заявлено 27.05.1977, опубл. 15.07.1979, Б.И. №26.

36. A.c. № 848675. Секция механизированной крепи/ Ю.Г.Шеин, Ю.ФЛономаренко, Н.И.Суслов и др.- Заявлено 16,07.1975, опубл. 23.07.1981, Б.И. №27.

37. A.c. № 814012. Гидропривод секции механизированной крепи/ Н.И.Суслов, Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко и др. (СССР), Г.И.Хаджидимов, П.П.Вербанова (НРБ).- Заявлено 26.07.1978, опубл. 14.11.1980.

38. A.c. № 659754. Способ испытаний гидростоек шахтной крепи/ Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко, В.Н.Хорин.- Заявлено 02.04.1974, опубл. 30.04.1979, Б.И. № 16.

39. A.c. № 505826. Пневмогидравлический аккумулятор/ Ю.Ф.Пономаренко, Ю.Г.Шеин, Ю.Л.Шахмейстер,- Заявлено 19.08.1974, опубл. 25.08.1978, Б.И. № 31.

40. Патент Венгрии № 169646. Механизированная крепь -концевая арматура МРВД/ Н.Т.Богатырев, А.Д.Игнатьев, Е.Г.Филянович, Ю.Г.Шеин и др. (СССР), Ж.Пап, Й.Бажо, ШМикеш и др. (ВНР).- Заявлен 29.05.1974, выдан 31.12.1977.

41. A.c. № 570278. Предохранительный клапан/ К.Балаж, Й.Корбуй, Л.Хубер и др. (ВНР), В.Н.Хорин, Ю.Г.Шеин, Ю.Ф.Пономаренко и др. (СССР).- Заявлено 22.07.1974, зарегистрировано в Госреестре 28.04.1977.

42. Патент (а.с. НРБ) № 28352. Клапан остаточного подпора/ Н.И.Суслов, Ю.Г.Шеин, Ю.Л.Шахмейстер и др. (СССР), Г.И.Хаджидимов, М.Ж.Велев (НРБ).- Заявлен 23.03.1978, опубл. 15.04.1980, Б.И. № 4.

43. Патент SU 1796031. Очистной механизированный комплекс/

B.Г.Раевский, Ю.А.Гридин, Ю.Г.Шеин и др.- Приоритет 16.07.1990, зарегистрирован 08.10.1992.

Юрий Георгиевич Шеин

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ С ПОРОДАМИ КРОВЛИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 19.05.2003 г. Формат 62,5x88 1/16. Печать офсетная. Бумага писчая № 1 Уч.-изд .л. 1,9. Тираж 100 экз. Изд№ 100225 Отпечатано в типографии ГУДП "Почиграф", 140004, г.Люберцы Московской обл

SLooJIA

"Tjé? *"8363

i

i

s

Принятые обозначения и их размерность.

Введение.

Глава 1. Динамические и статические нагрузки на крепь.

Состояние вопроса

1.1. Результаты теоретических исследований нагрузок на шахтную крепь.

1.2. Измерения нагрузок на механизированную крепь в условиях промышленной эксплуатации.

1.3. Испытания шахтных крепей на динамические нагрузки.

1.4. Постановка задачи

Глава 2. Методические основы экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления.

2.1. Измерительная и регистрирующая аппаратура.

2.2. Предварительные исследования реакции гидростойки крепи на ударные нагрузки. Калибровка аппаратуры.

2.3. Параметры динамического нагружения крепи

2.4. Принципы экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления в шахтных условиях.

Глава 3. Теоретические основы расчета консервативной упругопластической системы «кровля - крепь».

3.1. Основные положения.

3.2. Определение критических пролётов кровли и некоторых параметров нагружения шахтной крепи

3.3. Характеристики динамической системы «кровля - крепь».

3.3.1. Жёсткость системы.

3.3.2. Анализ уравнений движения системы «кровля — крепь».

3.3.3. Анализ значений динамического коэффициента от характера изменения нагрузки.

3.3.4. Внецентренная динамическая нагрузка

3.4. Запаздывание деформаций гидроцилиндра стоек при динамических нагрузках.

Глава 4. Исследование и анализ динамических нагрузок на крепь в шахтных условиях и их последствия.

4.1. Методические основы экспериментов.

4.2. Нагрузки при отсутствии выемки угля.

4.3. Нагрузки при ведении очистных работ.

4.4. Проявления горного давления в забоях сланцевых шахт.

4.4.1. Влияние буровзрывных работ.

4.4.2. Первичная осадка основной кровли

4.4.3. Металлографический анализ причин разрушения гидростойки.

Ь 4.5. Анализ и обобщение результатов шахтных исследований.

Глава 5. Исследования и анализ динамических характеристик шахтной крепи в стендовых условиях.

Глава 6. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик системы «кровля - крепь» в условиях динамических нагружений.

6.1. Динамические характеристики системы «горные породы -крепление» при землетрясениях.

6.2. Расчет реакции механизированной крепи при динамическом нагружении со стороны кровли.

Актуальность проблемы. При анализе аварий в очистных забоях, * сопровождаемых разрушением механизированных крепей, работающих в условиях труднообрушаемых кровель (Германия, Чехия, Польша, Россия, Украина, Казахстан), чаще всего идет речь о неправильно выбранных силовых параметрах крепи (прежде всего, ее несущей способности) и необходимости увеличивать рабочее сопротивление секций крепи или применять предварительное разупрочнение пород основной кровли методом гидроразрыва, торпедированием и т.п. Поэтому в Российской Федерации и за рубежом проводились и проводятся работы по созданию стоечных предохранительных систем адаптации, которые смогли бы снизить высокое давление в стойках при ударных нагружениях крепей и предотвратить их разрушение. Для проверки таких систем и исследования процессов взаимодействия пород кровли с крепями созданы специальные стенды, ^ которые должны в полной мере имитировать параметры силовых, кинематических и динамических воздействий кровли на крепь в условиях резких осадок. С этой же целью проводились и проводятся теоретические и экспериментальные исследования шахтных крепей в Польше, Чехии, Германии, Венгрии и России.

Начиная с 70-х годов XX столетия, в ИГД им. А.А.Скочинского велись широкие теоретические и экспериментальные работы по изучению динамических явлений, возникающих при взаимодействии крепей с породами кровли как в период выполнения технологических операций по выемке угля, ^ так и при первичных и периодических осадках пород основной кровли. В результате выполненных работ установлено, что не только физико-механические свойства пород кровли, но и динамические характеристики системы «кровля - крепь» в период резких осадок являются значимыми при оценке безопасности эксплуатации шахтных гидрофицированных крепей, особенно с учетом кратковременного характера нагрузки. Было выявлено также, что существующие и даже нормированные методы экспериментальной оценки динамических свойств механизированных крепей не в полной мере отражают реальные условия взаимодеиствия системы «кровля - крепь» в период резких осадок. Было установлено, что условия стендовых испытаний гидростоек и секций крепей для оценки их отклика на внезапные нагрузки и оценка их динамических характеристик, а также фактические силы, действующие в период этих воздействий, включая их динамическую составляющую, практически не адекватны реальным условиям, сопровождающим резкие осадки.

Актуальность разработки теоретических основ динамического взаимодействия пород кровли и шахтной механизированной крепи как реакции деформируемого объекта на кратковременную интенсивную нагрузку определяется комплексом рассматриваемых проблем: необходимость прогноза величины кратковременных максимальных силовых нагрузок, ^ которым будет подвергаться крепь при эксплуатации в условиях труднообрушаемых кровель, и установлением обоснованных запасов прочности секций с гидроэлементами их силовой гидравлики.

В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии в ИГД им. А.А. Скочинского, на стендах ЦНИИСКа им. Н.П. Кучеренко (г. Москва) и СибНИА им. С.А.Чаплыгина (г. Новосибирск), а также на шахтах Донецкого угольного бассейна, треста «Ленинградсланец» (г. Сланцы) и комбината «Эстонсланец» (г. Кохтла-Ярве). Работы выполнялись по отраслевым планам Минуглепрома СССР, контрактам Минтопэнерго России и по договорам с машиностроительными заводами, а также в рамках научно-технического сотрудничества с организациями Венгрии и Болгарии.

Цель работы. Разработка теоретических основ динамического взаимодействия механизированной крепи с породами кровли в условиях упруго-пластических деформаций для повышения эффективности и А безопасности ведения очистных работ.

Идея работы заключается в учете динамической составляющей при взаимодействии боковых пород и крепи на основе использования характеристик колебательной консервативной системы «кровля - крепь» при определении закономерностей движения масс этой системы.

Задачи исследований:

1) проанализировать теоретические и экспериментальные работы в области взаимодействия шахтных механизированных крепей с породами кровли в период динамических проявлений горного давления;

2) разработать и научно обосновать закономерности динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» и теоретически корректно оценить и описать фронт изменения нагрузки на крепь в функции времени;

3) разработать методологические основы проведения комплексных экспериментальных (шахтных и стендовых) исследований крепей, позволяющие проводить полномасштабные измерения их динамических параметров во всем диапазоне скоростей и ускорений;

4) провести комплекс экспериментальных шахтных и стендовых исследований по изучению количественных показателей динамического взаимодействия системы «кровля - крепь»;

5) сформулировать критерии проверки динамических свойств ц гидростоек механизированных крепей применительно к задачам подтверждения их применимости в условиях динамических воздействий в период их эксплуатации.

Методы исследований. В работе использован метод исследований, включающий обработку и системный анализ информации, теоретический анализ физических процессов, стендовые и шахтные исследования с использованием высокоточной измерительной техники.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1) закономерность формирования нагрузок на крепь, превышающих несущую способность крепи, при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний системы «кровля — крепь»;

2) метод определения динамического коэффициента системы «кровля -крепь», основанный на вычислении нагрузок и перемещений с момента начала обрушения пород, в течение всего времени действия силы, соотнесенного с периодом собственных колебаний рассматриваемой системы;

3) метод моделирования динамической нагрузки на крепь, заключающийся в нагружении гидростойки крепи массой, соответствующей ее несущей способности, с обеспечением коэффициента динамичности не более двух при неупругом ударе;

4) статическое нагружение и податливость гидростоек шахтной механизированной крепи, предшествующие появлению первичной осадки основной кровли, вызываются её линейной деформацией как защемленной балки под собственным весом в плоском напряженном состоянии;

5) закономерность движения упруго-деформируемой системы механизированной крепи в функции времени при резких осадках кровли определяется суммарной жесткостью гидростоек крепи и значением величины их номинального сопротивления.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректным использованием аппарата теории колебаний теоретической механики и теории испытаний;

- использованием комплекса экспериментальных методов, позволивших получить статистически обоснованную, достоверную информацию о процессах взаимодействия кровли и механизированной крепи в условиях динамических нагрузок при выполнении технологических операций и в период резких осадок кровли; согласованностью результатов теоретических расчетов со стендовыми и шахтными экспериментами, проведенными с применением высокоточной измерительной й регистрирующей аппаратуры по методике, разработанной автором.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснованы основные закономерности динамического взаимодействия механизированных крепей с породами крепи, вызываемого кратковременными интенсивными воздействиями в период первичных осадок кровли;

- установлена взаимосвязь между параметрами шахтной механизированной крепи и физико-механическими свойствами пород кровли, определяющая динамические характеристики системы «кровля-крепь»: частоту и период колебаний;

- установлена закономерность формирования внешних нагрузок, превышающих несущую способность крепи при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний консервативной системы «кровля - крепь»;

- сформулированы основные принципы, и разработана методология исследований динамического взаимодействия шахтной крепи с боковыми породами и требования к измерительным системам, что позволило провести измерения быстропротекающих процессов в режиме реального времени.

- научно обоснованы закономерности формирования динамической нагрузки на механизированную крепь во времени, функциями которой являются f(t) = 1, f(t) = t/т, f (t) = simrt/т, f(t) = 2t/x, f (t)= 1/2 (1 - cos2Trt/x).

Это позволило реализовать и повторить эти нагрузки в реальных условиях; установлено, что динамический коэффициент, характеризующий увеличение нагрузок на крепь и смещений её податливых узлов при кратковременных воздействиях в реальных условиях, имеет величину не более х =1,8-1,9.

Практическое значение диссертации:

- разработаны официально принятые нормативные документы по оценке параметров механизированных крепей и их гидроэлементов с учетом их работы в условиях динамических нагрузок;

- разработана методология расчетов по определению кинематических, силовых и динамических параметров механизированных крепей в период резких осадок кровли, результаты которых устойчиво согласуются с результатами измерений, с ошибкой не более 15%, подтверждая корректность принятых допущений и справедливость концепции расчёта динамических характеристик системы «кровля — крепь» в диапазоне мощности пластов основной кровли 10-60 м при удельном сопротивлении секции крепи от 0,3 до 1,5 МПа;

- разработаны методологические основы и рабочие методики экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления в очистных забоях и его имитация в стендовых условиях. Проведенные на их основе исследования позволили определить количественные значения максимальных скоростей и частот собственных колебаний системы «кровля — крепь» в режиме реального времени. Подтверждено, что в условиях очистного забоя динамический коэффициент системы не превышает % = 1,8—1,9;

- разработана модель взаимодействия системы механизированной крепи и вмещающих пород в условиях их хрупкого разрушения с целью определения возможности безаварийной работы крепи при динамическом воздействии в конкретных горно-геологических условиях;

- разработан, апробирован, запатентован и применяется отечественными и зарубежными учеными способ динамических испытаний гидростоек механизированных крепей и их элементов. Способ позволяет создавать кратковременные нагрузки, адекватные действующим в шахтных условиях по энергии воздействия, закону изменения силы во времени и значению динамического коэффициента.

Реализация результатов работы. На основании выполненных исследований под руководством и при участии автора разработаны следующие нормативные и методические документы:

ГОСТ Р 51669-2000. Стойки призабойные гидравлические. Методы испытаний. Крепи механизированные. Клапаны предохранительные. Общие технические требования. Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта РФ от 21.11.2000 г., № 306-ст.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для пологих и наклонных пластов / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.07.1990 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для крутых пластов / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.1992 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания стоек призабойных гидравлических / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Л

Утверждена Комитетом угольной промышленности Минэнерго РФ. Введена с 01.07.93 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания гидравлических стоек механизированных крепей / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.92 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидроклапаны предохранительные / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1992 г. Cf Система сертификации изделий угольного машиностроения.

Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидрозамки односторонние / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1993 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные.

Гидрораспределители / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Утверждена Комитетом угольной ^ промышленности Минтопэнерго РФ. Введена с 01.07.94 г.

Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Рукава высокого давления с концевой неразборной арматурой / Типовая программа и методика. М., 1991.

Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.93 г. и 04.01.94 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях Минуглепрома СССР (1982-1990 гг.), на секциях и заседаниях Ученого совета ИГД им. А.А. Скочинского, а также на всесоюзных, национальных и международных научно-технических конференциях: IV Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1984 г.); VIII Всесоюзной конференции по механике горных пород (Тбилиси, 1985 г.); V Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1986 г.); V Национальной конференции по гидравлике и пневматике (Болгария, 1988 г.); Международном симпозиуме "Горные удары и внезапные выбросы в шахтах: теоретическое обоснование, прогнозирование, предупреждение и обеспечение защиты" (Санкт-Петербург, 1994 г.); Международной конференции по горному делу (Польша, 1998 г.); Международной конференции «Проблемы механизации горных работ до 2010 г.» (Польша, 2002 г.).

Публикации.

Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 43 печатных работах, включая 3 монографии,

9 нормативных документах, 23 российских и зарубежных авторских свидетельствах и патентах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Изложена на 332 страницах машинописного текста, включая 97 рис., 15 таблиц, список принятых обозначений на 3 стр., список использованной литературы из 101 наименования и 1 приложения на 68 страницах.

Выводы

1. Результаты расчётов по определению кинематических, силовых и динамических параметров гидростоек крепей, работающих в условиях резких осадок кровли устойчиво согласуются (максимальная ошибка не более 15%) с результатами измерений максимальных давлений, смещений и скоростей опускания поршня в шахтных и стендовых условиях.

2. Подтверждена корректность принятых допущений и справедливость концепции динамического взаимодействия кровли и механизированной крепи, которая справедлива в диапазоне мощности пластов основной кровли от 10 до 60 м для секций механизированной крепи, имеющих удельное сопротивление от 0,3 до 1,5 МПа при различной жёсткости гидростоек.

3. Расчетами подтверждено, что в условиях резких осадок с увеличением рабочего сопротивления крепи от 0,3 до 1,44 МПа и жёсткости её гидростоек от 4 до 0,5 МПа/мм период колебаний системы «кровля — крепь» возрастает от 0,25 до 1,1 с и, соответственно, снижается коэффициент динамичности. Расчетами подтверждается, что потенциальная энергия упругой деформации пород основной кровли и шаг её обрушения существенно не зависят от параметров крепи, но определяются мощностью её пласта и соотношением предельных растягивающих и сжимающих напряжений вмещающих пород.

4. Показано, что динамические процессы сдвижения пород, вызываемые сейсмическими явлениями, оцениваются максимальным динамическим коэффициентом % ~ 1>6, соизмеримым с коэффициентами колебательной системы «кровля - крепь» в период резких осадок кровли, которые составляют %= 1,3-1,9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации, представляющей законченную научно-исследовательскую работу, решена научная проблема разработки теоретических основ динамического взаимодействия шахтных механизированных крепей с породами кровли в условиях упругопластических деформаций, что имеет важное народно-хозяйственное значение для развития теоретических и экспериментальных исследований работы крепей в условиях труднообрушаемых кровель с целью повышения безопасности труда, создания надежных конструкций и повышения конкурентоспособности отечественной техники.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основные закономерности динамического взаимодействия колебательной системы «кровля-крепь». Установлена зависимость динамического коэффициента системы от закона действия силы, когда эта сила не является периодической функцией и описывается линейными и нелинейными формами вида: f(t) = .i; f(t) = t/т; f (t) = sin к t/т; f(t) = 2t/x; f(t)= J/2(l -cos27Tt/i).

Характер движения имеет вид апериодического или затухающего колебательного процесса с динамическим коэффициентом х= 1,3-1,9.

2. Установлена закономерность формирования критических нагрузок, превышающих несущую способность"'крепи, при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний консервативной системы «кровля-крепь».

3. В результате теоретических исследований определена и экспериментально подтверждена взаимосвязь между силовыми и динамическими параметрами крепи (рабочим сопротивлением и жесткостью гидростоек) и свойствами пород кровли, определяющими динамические характеристики системы «кровля - крепь» при резких осадках. С увеличением рабочего сопротивления крепи от 0,3 до 1,44 МПа и жёсткости её гидростоек с 4,0 до 0,5 МПа/мм период колебаний системы возрастает от 0,25 до 1,1 с и, соответственно, снижается динамический коэффициент.

4. Разработана методология расчетов по определению кинематических, силовых и динамических параметров механизированных крепей в период резких осадок кровли, результаты которых устойчиво согласуются с результатами измерений, с ошибкой не более 15%, подтверждая корректность принятых допущений и справедливость концепции расчёта динамических характеристик системы «кровля — крепь» в диапазоне мощности пластов основной кровли 10-60 м при удельном сопротивлении секции крепи от 0,3 до 1,5 МПа.

5. На основе теоретической модели взаимодействия системы «кровля -крепь» дан метод вычисления динамического коэффициента, начиная с момента начала обрушения пород кровли и далее в течение относительного времени т* = 0-^-5, определяемого соотношением реального времени действия силы т к периоду колебаний системы Т. Показано, что наибольшее значение динамический коэффициент имеет при т* >1/2 для импульсной нагрузки и при т* ~ 1 для нелинейного закона изменения силы. Установлено, что при т*> 3 динамическая составляющая не превышает 15% и при т* = 5 динамические явления практически не значимы.

6. Разработаны методологические основы единых экспериментальных исследований быстропротекающих проявлений горного давления в забоях с механизированными крепями и при моделировании процессов в стендовых условиях. Методы, основанные на применении высокоточной измерительной аппаратуры, позволили выявить закономерности формирования нагрузок на крепь в периоды статического и динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» в режиме реального времени. Получены скорости просадки гидростоек крепи от 2-10'4 до 2,3-105 мм/ч, т. е. в диапазоне девяти порядков при минимальном времени взаимодействия 0,01-0,8 с. Выявлены частоты собственных колебаний системы «кровля-крепь» со = 20-30 с'1 с периодом Т = 0,31- 0,21 с для условий первичной осадки.

7. Научно обоснован, разработан, и реализован на отечественном испытательном оборудовании метод моделирования динамической нагрузки на крепь, заключающийся в нагружении гидростойки крепи массой, адекватной её несущей способности с коэффициентом динамичности не более двух при неупругом ударе. Показано, что нагрузки, создаваемые этим способом, воспроизводят реальные кратковременные воздействия кровли на крепь, соответствующие действующим в шахтных условиях при резких осадках кровли как по времени воздействия, так и по закону изменения силы.

8. Обосновано и внесено в нормативные документы увеличение запаса прочности гидростоек крепей до 1,5 Рн, исходя из условия кратковременных нагрузок на механизированную крепь при резких осадках кровли.

9. На базе выполненных исследований разработан и принят Госстандартом РФ, Минэнерго РФ и Минуглепромом СССР комплекс основополагающих нормативно-методических документов по испытаниям и сертификации механизированных крепей и их элементов, предусматривающих учет динамических явлений в процессе их эксплуатации.

В период 2000-2002 г.г. по указанным документам проведена сертификация в государственной системе ГОСТ Р следующего серийно выпускаемого оборудования (табл. 5):

1. Шеин Ю.Г., Савченко Б.В. Сертификация продукции и оборудования топливно-энергетического комплекса Российской Федерации. Основные положения // М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1994, 84 с.

2. Цимбаревич П.М. Механика горных пород // М., Углетехиздат, 1948, 214 с.

3. Руппенейт К.В. Давление и смещение горных пород в лавах пологопадающих пластов // М., Углетехиздат, 1948, 184 с.

4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей // М., Недра, 1984, 415 с.

5. Слесарев В.Д. Разработка свиты пластов // М., Углетехиздат, 1948, 184 с.

6. Балуева А.В., Гольдштейн Ф.В. и др. Метод расчета смещений поверхностей тонких пространственных полостей // Сб. ФТПРПИ, 1984, вып. 6, с. 3-9.

7. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов // М., Недра, 1980,360 с.

8. Коровкин Ю.А. Механизированные крепи очистных забоев // М, Недра, 1990,413 с.

9. Калинин С .И. Повышение эффективности разработки пологих и наклонных пластов с труднообрушаемой кровлей // Автореферат дис. на соиск. ученой степени доктора техн. наук, Кемерово, 1993, СО РАН, Институт угля, 50 с.

10. Громов Ю.В. Совершенствование управления горнымдавлением при разработке мощных пологих пластов угля // Дис. на соиск. ученой степени доктора техн. наук, С.-Петербург, 1993, ВНИМИ, 49 с.

11. Глушихин Ф.П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях // М., Недра, 1974, 192 с.

12. Журило А.А. Горное давление в очистных забоях с трудно-обрушающимися кровлями // М., Недра, 1980, 127 с.

13. Афанасьева Е.В. Определение предельного пролёта кровли незакреплённой выработки // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, М., 1997, вып. 304, с. 127-136.

14. Salamon M.D.G. Rock mekanics of underground excavations. Proceedings of the Ynernational Society for Rock Meckanics // Denver, Colorado, Sent 1-7,1947.V.1, part B, p. 951-1099.

15. Трофимов B.A. Развитие теории напряженного состояния горных массивов и проявлений горного давления при разработке пологих месторождений // Автореферат дис. на соиск. ученой степени доктора техн. наук, М., 1998, ИПКОН РАН, 40 с.

16. Отчет ИГД им. А.А Скочинского, этап 0146010020, отв. исполнители Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Изучение режимов работы гидростоек мехкрепи при воздействии осадок кровли // М., 1980, № Гос. Регистрации 7649418, инв. № 18893.

17. Отчет ВНИМИ, работа 0111909000, научные руководители Садыков Н.М., Шеин Ю.Г. Разработать и внедрить методы расчета гидросистем стоек механизированных крепей для лав с резкими осадками кровли // JL, 1984, № Гос.

18. Регистрации 523.3.001.4, инв. JVb 145321.

19. Садыков Н.М. О возможных скоростях резких осадок кровли // Сб. Вопросы горного давления, Д., изд. ВНИМИ, 1975, № 95, с. 114-121.

20. Мамонтов С.В., Караваев Б.А., Шеин Ю.Г. Вопросы совершенствования гидропривода механизированных крепей // М., Наука, 1966, 181 с.

21. Хорин В. Н., Архангельский А. С., Шеин Ю. Г., Пономаренко Ю.Ф. Методические указания по оценке качества изготовления и надежности механизированных комплексов // М., изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1973, 84 с.

22. Пономаренко Ю.Ф., Шеин Ю.Г., Меламед З.М. и др. Временная рабочая инструкция по входному контролю качества механизированных крепей // М., изд. ИГД им. А.А. Скочинского, 1973, 42 с.

23. Пономаренко Ю. Ф., Шеин Ю. Г., Белый А .Н. и др. Определение рабочих характеристик предохранительных клапанов стоек // Сб. Угольное машиностроение, М., ЦНИЭИуголь, 1977, с. 16-20.

24. Докукин А.В., Пономаренко Ю.Ф., Шеин Ю.Г. (СССР), Корбуй Й. (ВНР), Хаджидимов Г.И. (НРБ). Совершенствование гидропривода механизированных крепей // М., Машиностроение, 1984, 248 с.

25. Shein Y. "Nova zasada oceny statecznosci obudowy zmechanizowanej w warunkach dynamicznego jbciazenia stropu"

26. KOMAG "Bezpieczna eksploatacja obudow zmechanizowanych w warunkach technicznej restrukturyzacji gornictwa" // Szczyrk, Listopad, 1998, s. 44-49 (Польша).

27. Osuch A. Kompleks scianowy do pokladow tapiacych // Mechanizacja i automatisacja gornictwa, 1974, № 6, s. 5-16 (Польша).

28. Mynar V., Becker K. Einfluss des Gebirgsschlagventils bei dynamischer Belastung mechanischen Strebaus // Gliickauf-Forschungshefte 45, 1984, H6 (Германия).

29. Budirsky C. Soucinnost mechanizovane porubni vyztuze s horninovym masivem pri dobyvani mocnych a velmi mocnych sloji sedlovych vrstev ceskoslovenske casti Hornoslezske uhelne panve (autoreferat) // VVUIJ Ostrava Radvanice, 1986, 57 s. + 9 s. (ЧССР).

30. Stoinski K. Obudowy gornicze w warunkach zagrozenia wstrazasami gorotworu // GIG, Katowice, 2000, 191 s. (Польша).

31. Шеин Ю.Г. Новая концепция динамического взаимодействия системы «кровля шахтная крепь» // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, вып. 3.11.1999, с. 163-169.

32. Пономаренко Ю.Ф., Баландин А.А., Шеин Ю.Г. и др. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей // М., Машиностроение, 1981, 327 с.

33. Розенберг И.М. Исследования автоматического регистрирующего комплекса: сейсмические приборы // М., Наука, 1977.

34. Испытательная техника. Справочник в 2-х томах под ред. профессора Клюева В.В. // М., Машиностроение, 1982, 456 с.

35. Фирстов В.Д., Белый А.А., Шеин Ю.Г. Гидродинамический стенд для исследования работы клапанов механизированных крепей // М., ЦНИЭИуголь, «Горные машины и автоматика»,1975, №9, с. 9-12.

36. Шеин Ю.Г., Суслов Н.И., Шахмейстер Ю.Л. «Исследование герметичности гидростатической системы стоек.» // Реферативная карта, 1974, № 42, серия 5.

37. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Гидроэлементы гидросистем механизированных крепей. Методика оценки уровня качества. М.12.44.060-80 // М, Минуглепром СССР, 1980,34 с.

38. Шеин Ю.Г. Сертификация и сертификационные испытания гидравлических элементов и систем // Сб. «V Конференция по гидравлике и пневматике», изд. НТС по машиностроению, Болгария, Казанзык, 1988, с. 251-256.

39. Пономаренко Ю.Ф., Баландин А.А., Шеин Ю.Г., Ауэрбах В.К. Нелинейные параметры гидросистемы механизированной крепи // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского,1976, вып. 137, с. 35-42.

40. Яблонский А.А., Норейко С.С. Курс теории колебаний // М., Высшая школа, 1975, 248 с.

41. Норель Б.К. Изменение механической прочности угольного пласта в массиве // М., Наука, 1982, 128 с.

42. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Динамика проявлений горного давления при работе механизированной крепи // Уголь, 1984, №2, с.14-17.

43. Кузнецов Г.Н. О механизации взаимодействия боковых пород и крепи в очистных выработках пологопадающих угольных пластов // Сб. Исследование горного давления применительно к механизированным крепям, М., Углетехиздат, 1954, с. 187-195.

44. Шемякин Е.И. О паспорте прочности горных пород // В кн: Измерение напряжений в массиве горных пород, ч. 1, Новосибирск, Наука, 1974, с. 9-20.

45. Иосилевич Г.Б. и др. Прикладная механика // М., Машиностроение, 1985, 576 с.

46. Герман А.П. Свод равновесия и оседание поверхности над горными выработками // Изв. АН СССР, ОТН-152, № 6.

47. Коровин В.Т. Разрушение сложной кровли очистной выработки методами строительной механики // Сб. Вопросы горного давления, Новосибирск, изд. ИГД СО АН СССР, 1980, вып. 38, с. 51-54.

48. Пекарский Д.Г. Учет вторичной расслаиваемости при расчете слоев кровли на прочность // Сб. Вопросы горного давления, Новосибирск, изд. ИГД СО АН СССР, 1980, вып. 38, с. 55-58.

49. Закутский И.А., Мельников Е.А. О классификации кровель пологих угольных пластов // Уголь, 1984, №6, с. 57-60.

50. Грицаюк Б.И., Бонин A.M. Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами в сложных условиях Подмосковного бассейна // Сб. Вопросы горного давления, Новосибирск, изд. ИГД СО АН СССР, 1980, вып. 38, с. 47-51.

51. Орлов А.А., Баранов С.Г., Мышляев Б.К. Крепление и управление кровлей в комплексно механизированных очистных забоях // М., Недра, 1993, 284 с.

52. Шемякин Е.И. Геомеханика призабойной части угольного пласта // Сб. Проблемы механики деформируемых тел и горных пород, М.,МГГУ, 2001, с. 117-129.

53. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник, т. 1 // М., Машиностроение, 1968, 831 с.

54. Международная конференция по горному давлению. Перевод с франц. // М., Углетехиздат, 1957, 414 с.

55. Journal of mines, metals and fuels // 1981, p. 159-197.

56. Шеин Ю.Г., Пономаренко Ю.Ф. Основные направления развитиия гидропривода механизированных крепей II Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1974, вып. 117, с. 31-39.

57. Санин С.А. Исследование и разработка средств и способов защиты гидросистемы стоек механизированных крепей для лав с резкими осадками кровли: канд. дисс. // М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1979.

58. Пономаренко Ю. Ф., Баландин А. А., Шеин Ю. Г.

59. Моделирование переходного процесса движения секции механизированной крепи на АВМ // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского,1975, вып. 128, с. 58-64.

60. Хорин В.Н. Расчет и конструирование механизированных крепей // М., Недра, 1988, 255 с.

61. Филиппов А.П. Колебания механических систем // Киев, Наукова думка, 165, 398 с.

62. Жуковский Н.Е. Собрание сочинений // М.- JL, Гостехиздат, 1949, Гидравлика. Прикладная механика, т. 3, 700 с.

63. Пономаренко Ю.Ф., Шеин Ю.Г., Суслов Н.И. Исследование герметичности гидростоек механизированных крепей // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1974, вып. 122, с. 101-104.

64. Савкин А.А., Павловский А.С., Глазов Д.Д. Энергетика взаимодействия механизированных крепей с кровлей // Сб. Вопросы горного давления, Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1980, вып. 38, с. 13-18.

65. Бессонников В.А. Общие и упругие деформации боковых пород на контакте с секциями механизированных крепей при повторении полного цикла «нагружение — разгрузка» // Сб. Вопросы горного давления, Новосибирск, СО АН СССР, 1980, вып. 38, с. 64-66.

66. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем // М., машиностроение, 1976, 424 с.

67. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле // М., 1959, 486 с.

68. Смирнов А.Ф., Александров А.В. и др. Строительная механика, динамика и устойчивость сооружений (учебник для вузов) // М., Стройиздат, 1984, 416 с.

69. Тимошенко С.П. Курс сопротивления материалов // М-Л., ГИЗ, 1928, 587 с.

70. Воложенко-Климовицкий Ю.Я. Динамический предел текучести // М., Наука, 1965, 269 с.

71. Гольдсмит В. Удар // М., Стройиздат, 1965, 448 с.

72. Шеин Ю.Г. Повышение предела текучести стали при динамических нагрузках // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 1987, вып. 212, с.22-26.

73. Конрой М. Пластический анализ особого класса задач о балках подвергнутых действию поперечной динамической нагрузки // Сб. Механика, М., ИЛ, 1965, № 1 (35).

74. Котляревский В. А. Механические характеристики малоуглеродистой стали при импульсном нагружении с учетом запаздывающей текучести и вязкопластических свойств // Прикладная механика и техническая физика, 1961, №6, с. 31-39.

75. Стёпин П.А. Сопротивление материалов // М., Высшая школа, 1979, 312 с.

76. Clark D.S. The behaviour of metals under dynamic loading // T.A.S. Metals, 46, 1954,34.

77. Джонсон У., Меллор П. Теория пластичности для инженеров. Пер. с англ. А.Г. Овчинников // М., Машиностроение, 1979, 567 с.

78. ОСТ 12.44.245-83. Крепи механизированные, стойки и домкраты. Расчет на прочность. Методика.

79. Шеин Ю.Г. Стратегия и практика подготовки сертификации Изделий угольного машиностроения // Сб. Сертификация, Госстандарт СССР, ВНИКИ, 1990, №2, с. 8-11.

80. Шеин Ю.Г. Сертификация горно-шахтного оборудования, как путь повышения его качества и конкурентоспособности // Уголь, 1990, №2, с. 18-23.

81. Шеин Ю. Г., Раевский В. Г., Радулов В. Е. Сертификационные испытания стоек призабойных гидравлических (типовая программа и методика). Система сертификации изделий угольного машиностроения // М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1993, 20 с.

82. Шеин Ю.Г., Баркан М.С., Грядущий Б.А. Шахтные испытания крепи М-87ДГГ // Сб. Горные машины и автоматика, ЦНИЭИуголь, 1975, № 11, с. 9-12.

83. Шеин Ю.Г. Нестационарные процессы в гидросистемах механизированных крепей // Сб. «II Конференция по гидравлике и пневматике », Казанзык, Болгария, изд. НТС по машиностроению, 1974, с. 151-158.

84. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Результаты измерений динамических проявлений горного давления // Сб. «VIII

85. Всесоюзная конференция по механике горных пород», Тбилиси, 1985, Ротапринт ИПКОН АНСССР, с. 7-8.

86. Якоби О. Практика управления горным давлением. Перевод с нем. // М., Недра, 1987, 566 с.

87. Михальченков A.M., Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л., Граф С.В. Способ управления кровлей при подземной разработке пластовых месторождений сланцев // А.С. №1317126,1987, Б.И. № 22.

88. Шеин Ю.Г., Шахмейстер Ю.Л. Динамические явления в гидростойках крепи КГПК 350 при эксплуатации // Сб. Совершенствование технологии комплексноймеханизации на сланцевых шахтах и разрезах, Кохтла-Ярве, изд. ЭФИГД им. А.А.Скочинского, 1988, с. 29-32.

89. Shein Y.G. Dynamiczne obci^zenia zmechanizowanej obudowy scianowej // KIERUNKI MECHANIZACJI GORNICTWA DO 2010 ROKU, том 2, Biblioteka KOMTECH, 2002, s. 21-27.

90. Шеин Ю.Г. Результаты динамических разрушений кровли -разрушение гидростоек крепей // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 2000, вып. 317, с. 219-224.

91. Патент RU № 2054552 «Способ Шеина испытанийгидравлических стоек шахтной крепи» // 1996, Б.И. № 24.

92. Тарасик Т.М. Обоснование параметров средств защиты гидростоек от динамических нагрузок // Автореферат канд. дис., Новосибирск, 2000.

93. Клишин В.И., Тарасик Т.М. Стендовые испытания гидростоек на динамические нагрузки // Сб. Горное машиноведение, ИГД СО РАН, 2001, № 1, с. 84-91.

94. Матарадзе Э.Д. Коэффициент жёсткости гидростойки при динамическом нагружении // Сб. Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами, Новосибирск, ИГД СО АНСССР, 1987, с. 156-162.

95. Шеин Ю.Г., Лукашин М.С. Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания гидравлических стоек механизированных крепей (Типовая программа и методика) // М., ИГД им. А.А.Скочинского, 1991,28 с.

96. Шеин Ю.Г. О корректности результатов стендовых испытаний шахтных крепей на динамические нагрузки // Научные сообщения ИГД им. А.А.Скочинского, 2001, вып. 320, с. 178-184.

97. Дорман И.Я. Сейсмостойкость транспортных тоннелей // М., ТИМР, 2000, 307 с.

98. Медведев С.В. Ускорения колебаний грунта при сильных землетрясениях // Труды ИФЗ АНСССР, 1960, вып. 3, №10(177), с. 32-39.

99. Казьмин В.М. Вероятностный метод анализа контактного взаимодействия забойных крепей с боковыми породами // М., Наука, 1974, 120 с.

100. РТМ 12.44.005-76. Крепи механизированные. Гидросистемы. Параметры и характеристики гидравлических элементов.

101. ЮО.Башта Т.М. и др. Объемные гидравлические приводы // М., Машиностроение, 1978, 628 с.

102. Система стандартов безопасности труда.

103. Межгосударственный стандарт ГОСТ 12.2.085-82. Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные // М., ИПК издательство стандартов. Переиздание, ноябрь 2001.