автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Создание трапециевидной рамной крепи для подготовительных выработок в агрессивных средах

I о 0..

4 А г^ 4,

' .¡¡и'

На правах рукописи Литвиненко Николай Григорьевич

СОЗДАНИЕ ТРАПЕЦИЕВИДНОЙ РАМНОЙ КРЕПИ ДЛЯ ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫХ ЕЫРАБОТОК В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ

Специальность 05.15.02 - "Подземная разработка месторождений полезных ископаемых" .

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 1996

Работа выполнена на шахте "Западная" АООТ "Беловоуголъ".

Научный руководитель

доктор технических наук,академик Международной Академии экологии и безопасности жизнедеятельности и Академии горных наук,Заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации и Коми АССР Хохлов И.В.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор, чл.-корр. АЕН Егошин В.В. кандидат технических наук Кухаренко Е.В.

Ведущая организация

АООТ "Кузнецкий научно-исследовательский угольный институт" (АООТ КузНИУИ).

Защита состоится " -13 " апреля 1996 г. в "16 " часов на заседании диссертационного совета Д 063.70.01 при Кузбасском государственном техническом университете по адресу: 650026," г.Кемерово ,ул.Весенняя,28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кузбасского государственного технического университета .

Автореферат разослан " " ъа-ръ 1996г.

Ученый секретарь диссертационного Совета , член-корреспондент АЕН доктор технических наук,профессор

Александров Б.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.Повышение эффективности работы угольной промышленности невозможно без увеличения темпов проведения подготовительных выработок и обеспечения надежного их поддержания.В качестве материала для изготовления крепи подготовительных выработок используется,главным образом,металл, дерево и бетон.Однако данные материалы не всегда обеспечивают предъявляемые к ним высокие требования, особенно с точки зрения защиты их от агрессивных воздействий шахтной среды.

Коррозийное влияние на металлическую крепь оказывают шахтные воды »агрессивность которых определяется концентрацией водородных ионов РН и их высокой минерализацией,а также рудничный воздух.отличающийся повышенной влажностью,запыленностью и наличием различных газов.Процесс коррозии особенно интенсивно происходит в выработках при влажности воздуха 95-1001 и в местах капежа шахтных агрессивных вод.При РН-1 сталь марки 45 через 60 суток теряет 18.4г/м2,а ржавление элементов крепи из СВП на глубину 1-2 мм приводит к снижению ее прочностных и деформационных показателей на 10%. Ежегодные потери от гниения на шахтах Кузбасса составляют до 5-871 от общей протяженности выработок,закрепленных деревянной и смешанной крепью.

В этой связи дальнейшее совершенствование конструкций крепи в условиях агрессивной шахтной среды возможно за счет применения новых видов материала крепи .позволяющих снизить трудозатраты и повысить производительность труда проходчиков.

Поэтому исследования .направленные на разработку крепи из новых материалов для работы в агрессивных средах .использование которой позволит снизить материалоемкость и трудоемкость ,повысить безопасность труда при проведении подготовительных выработок приобретает важное значение.

Диссертационная работа выполнена по результатам плановых НИР АООТ"Беловоуголь" и ИГД им.А.А.Скочинского га 1992-1995ГГ.

Цель работы - равработка конструкции крепи подготовительных выработок ,погврляющей повысить ее устойчивость к агрессивным средам и безопасность труда проходчиков при .снижении материальных и трудовых затрат.

Идея работы заключается в использовании новых композиционных материалов устойчивых к агрессивным средам шахты, для создания конструкции крепи подготовительных выработок.

Задачи исследовании:

- провести анализ результатов научных исследований и обосновать технические требования к композиционным материалам для изготовления шахтной крепи .стойкой к агрессивным средам;

- разработать совокупность элементов стеклопластиковой трапециевидной рамной крепи и технологию изготовления экспериментальных образцов;

- провести стендовые испытания и установить несущую способность ,взрыво- и пожароопасность элементов крепи;

- разработать методику расчета элементов стеклопластиковой рамной крепи и установить область её применения .

Методы исследований. При решении поставленных задач применялся комплексный метод ,включающий аналитический обзор предшествующих научных работ и проведение патентных исследований .лабораторные и стендовые исследования натурных образцов, аналитические методы и технико-экономический анализ.

Научные положения .разработанные лично диссертантом и новизна:

- установлено, что использование стеклопластиков на базе нити ВШС и ровинга РЕМН для изготовления элементов рамной крепи и последующее покрытие элементов токопроводящей тканью и лаком типа ХП-5237 приводит к повышению устойчивости' крепи к агрессивным шахтным средам, предотвращению хрупкого разрушения элементов при нагружении, образованию статического

электричества и искры;

- установлены зависимости изменения несущей способности стеклопластиковой крепи от приложенных нагрузок и предложены рациональные конструкции узлов податливости .обеспечивающие её устойчивость;

- разработана методика расчета рамной стеклопластиковой крепи , учитывающая физико-механические характеристики элементов крепи .позволяющая осуществить выбор рационального сочетания конструктивных параметров и область её применения.

Достоверность научных результатов .выводов и рекоменда-ций.сформулированных в диссертации подтверждается ;

- использованием классических методов сопротивления материалов ;

- достаточным количеством испытаний на универсальном стенде комплектов стеклопластиковой рамной крепи .полученными результатами о состоянии и изменениях крепи и её элементов при лабораторных исследованиях;

- удовлетворительной сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Значение работы.Научное значение работы заключается в выборе стеклопластиков на основе нити ШПС и ровинга БВШ для изготовления элементов рамной крепи, установлении закономерностей изменения несущей способности стеклопластиковой рамной крепи от приложенных нагрузок и влияния параметров узлов соединения элементов на податливость крепи.

Практическое значение работы заключается в выборе кольцевой формы поперечного сечения элементов крепи,разработке методики инженерного расчета ее параметров и установлении области применения стеклопластиковой рамной крепи.

Реализация выводов и рекомендаций работы:Результаты диссертационной работы использованы при составлении технического задания на изготовление стекопластиковой рамной крепи , утвержденного техническим директором АООТ"Беловоуголь'',а так-

же при разработке паспортов крепления подготовительных выработок на шахте "Западная" АООТ "Ееловоуголь".На заводе ПО "Пластик" (г.Хотьково) изготовлена партия стеклопластиковой рамной крепи в 1992-1993 гг.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научно-технических семинарах в Центральном научно-исследовательском институте специального машиностроения (1991г.,г.Хотьково,Московской обл.) .АООТ "Беловоуголь"(1992-1995гг..г.Белово).кафедре РМПИ КуэГТУ (1995г.,г.Кемерово ),на Международном семинаре по горному делу в ИГД им.А.А.Скочинского(1994г,.г.Люберцы).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ,в том числе патент и положительное решение на изобретение.

Объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав .заключения .списка использованной литературы из 83 наименований и изложена на 96 страницах,включая 19 таблиц и -12 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Вопросы крепления и поддержания подготовительных выработок играют важную роль при решении главной проблемы,стоящей в настоящее время перед угольной отраслью,-повышения эффективности подземной ' добычи угля.Для решения данных вопросов значительный вклад внесли сотрудники производственных объединений, шахт, ученые высших учебных заведений .научно-исследовательских и проектных институтов.Значительный вклад ученых таких институтов,как ИГД им.А.А.Скочинского,МГГА,ВНИМИ,КузНИУИ, КузНИИшахтострой,ТПИ,КуэГТУ,Института Угля СО РАН,ИГД СО РАН, С.-П.ГТУ,позволили разработать целый ряд инструктивно-нормативных документов,нашедших широкое применение на шахтах Рос-

сии.

Анализ существующего положения и научных исследований в области использования различных типов крепи подготовительных выработок показал ,что до BOX подготовительных выработок крепится с использованием металлической рамной податливой крепи из взаимозаменяемых профилей.Существенным недостатком таких крепей является их большая масса,высокая трудоёмкость возведения и низкая устойчивость к агрессивным шахтным средам,к которым относятся практически все обводненные выработки с притоками кислых(РН-З) и щелочных(РН-10) вод.

Используемые в настоящее время для защиты металлических крепей противокоррозийные покрытия на основе лакокрасочных материалов(например:эмалей ХВ-744) являются низкопрочными и трудоемкими,так как наносятся вручную.

Отдельные исследования ученых ИГД им.А.А.Скочинского, КузНИУИ,НИОГР, ЕНИИгидроуголь,ЕНИИОМШСа ,а также ряда ученых Англии,США и Польши по изучению полимерных композиций с-целью их последующего использования для производства шахтных крепей больших результатов не принесли, однако они показали ,что имеется новое направление для повышения устойчивости шахтных крепей к агрессивным средам - использование химических композитов в качестве материала крепи подготовительных выработок.

Для достижения цели диссертационной работы, поставленные задачи выполнялись в несколько этапов.

. Анализ физико-механических свойств серийно выпускаемых композитных материалов позволил принять для изготовления шахтной антикоррозийной крепи стеклопластики на основе нити ЕМПС и ровинга РБМН.как обладающие наиболее высокими физико-механическими показателями.В качестве связующих для изготовления крепи приняты эпоксидные или эпоксифенольные связующие. Они в композиции с армирующим наполнителем позволяют получить стеклопластики с высокими физико-механическими характеристиками (до 450 МПа).

Проведенные исследования показали,что качество крепи из стеклопластиков можно улучшить путем нанесения на стойки и верхняки специальных покрытий.Например.повышение стойкости

стеклопластика к воздействию тепла достигается за счет специального вспучивающего огнезащитного покрытия (ЕОВП) , которое под действием огня вспучивается,увеличивается в объеме с образованием пенококса с низкой теплопроводностью и препятствует нагреву защищаемой поверхности.

Проверка элементов стеклопластиковой крепи на пожароо-пасность ,проведенная совместно с' сотрудниками лаборатории безопасности высоковольтных установок .рудничного освещения и испытания электроизоляционных материалов испытательного центра Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности(ВостНИИ) показала,что электрическое сопротивление элементов стеклопластика без то-копроводящего покрытия составляет 6*10120м,то есть превышает допустимую величину 1090м,установленную ОСТ 12.24.94,и может быть искроопасным.В связи с этим,технологией изготовления крепи была предусмотрена намотка на поверхность стеклопласти-кого слоя токопроводящей ткани ТЭМС-К,пропитанной токопрово-дящим связующим ,а для изготовленной крепи - покрытие её элементов токопроводящим лаком типа ХП-5237,обладающего большой прочностью и хорошей адгезией к горным породам.

Кроме того,последующие стендовые испытания стеклопласти-ковой крепи показали,что токопроводящая ткань служит и для предотвращения хрупкого разрушения элементов (чаще верхняка) крепи при её поломке.

Требования к стеклопластиковым крепям,сформулированные инженерно-техническими работниками ряда шахт Кузбасса,позволили разработать конструкцию рамной трапециевидной крепи с узлами податливости на стойках (рис.1).

При выборе формы поперечного сечения элементов крепи из стеклопластика учитывалась трудоёмкость и технологичность её изготовления,последующие условия её работы в горных выработках, удобство установки и демонтажа.

На основании этого,в качестве базового варианта кострук-ции стеклопластиковой крепи приняты цилиндрические стойки и верхняк кольцевого сечения позволяющие обеспечить высокую технологичность изделия и повышенную несущую способность по

сравнению с другими формами поперечного сечения.

Рис.1. Стеклопластиковая рамная податливая крепь: 1-верхняк; 2-цилиндрическая выемка для вехняка; 3-верхняя часть боковой стойки, которая телескопически входит в 4-нижнюю часть стойки; 5-опорная плита; б-ограничитель .

На основе требований к стеклопластиковым рамным податливым крепям сформулированы требования к структуре технологических линий по производству элементов крепи,выбрана и реализована на предприятиях ПС'Пластик" и ЦНИИСМ технологическая_ цепочка,включающая намоточные станки и камеры полимеризации.

Стеклопластики (стеклянные волокна) получают путём вытягивания расплавленной стекломассы через фильтры диаметра 3-19мкм.Трубы из них,которые можно использовать как элементы крепи,изготавливают путем намотки нити на металлическую оправу, с последующим твердением на ней,снятой со станка.Намотка выполняется по "сухому" способу,суть которого заключается в том,что волокнистый армирующий материал перед формированием предварительно пропитывают связующим на пропиточных машинах.

В металлических стойках податливый узел обычно состоит из 2-х замкнутых хомутов.Такая конструкция узла податливости

для стеклопластиковых стоек рамной крепи не приемлима,т.к. стеклопластик имеет слабую контактную прочность.Поэтому возникла необходимость разработки принципиально новой конструкции узлов податливости.

На основании патентных исследований и с учетом лабораторных испытаний рагработаны два новых,наиболее оптимальных вида конструкций узла податливости крепи цилиндрического .сечения, изготавливаемых тоже из стеклопластика (рис. 2).

Узел податливости 1 представляет собой цилиндрический стеклопастиковый съемный элемент (проставку) толщиной около 3 мм,длиной 220 мм,одетый на нижний конец верхней части стойки. Снизу она опирается на коническую часть кольца,расположенного на верхнем .торце нижней части боковой стойки,а сверху упира-

и ($): 7- цилиндрическая проставка; 8- конусообразное кольцо; 9- съемный хомут; 10- болт; 11- гайка; 12- упор; 13- кольцевые выступы (зубья) на цилиндрической насадке; 14- расстояние между выступами (зубьями).

- l 'l -

ется в хомут,состоящий из 2-х полуколец,соединенных между собой с помощью крепежных деталей и предназначенных для разгрузки крепи при её извлечении из выработки для повторного использования. Закрепляется хомут на верхней части боковой стойки между упором и проставкой.

По мере увеличения нагрузки на крепь' нижняя часть прос-тавки надвигается на коническую часть кольца и постепенно разрывается.Это продолжается до тех пор,пока величина нагрузки не уменьшится до расчетного (допустимого) значения.

Узел податливости Е (проставка) конструктивно состоит из 2-х цилиндров,насаженных на нижний конец верхней части стойки меньшего диаметра,которая телескопически входит в нижнюю часть стойки.При этом нижний цилиндр имеет кольцевые выступы (зубья) .толщиной »примерно,по 3 мм и шириной до 30 мм.

Верхний цилиндр проставки,контактирующий вверху с упором этой же стойки .своим нижним концом упирается в верхний кольцевой выступ (зуб) нижнего цилиндра и под действием вертикальной нагрузки на крепь последовательно срезает кольцевые выступы (зубья) до тех пор пока давление не уравновесится (не достигнет расчетной величины).

Оба узла податливости предназначены для одноразового использования. При перестановке крепи для повторного использования они заменяются .

Лабораторные исследования натурных образцов стеклоплас-тиковой крепи проводились на горизонтальном универсальном стенде, состоящем из собственно испытательного стенда (силовая конструкция ), гидравлической системы и комплекса измерительно-регистрирующей аппаратуры и приборов.

Рамы испытуемой крепи монтировались на консолях опорных кареток. Усилия шести гидродомкратов передавались на элементы крепи через самоустанавливающиеся пуансоны, конструкция которых обеспечивала постоянство заданной схемы нагружения при изменении геометрических параметров испытуемой крепи вследствие деформации её элейентов и срабатывания узлов податливости. Максимальная величина перемещения силовых кареток (штоков гидродомкратов ) составляет 800 мм при усилии отдельного гид-

родомкрата до 760 кН.

Давление на элемен?ы крепи фиксировалось электротензоди-намометрами, установленными в поршневой полости гидродомкратов и дублировались манометрами для визуального наблюдения класса 2.5 . Нагружение рам осуществлялось ступенями через 20 кН.

Измерение прогиба элементов и податливости замков производилось тензометрическими преобразователями линейных перемещений в электрический сигнал относительно неподвижных реперов.

Все измеряемые сигналы передавались на тензоизмеритель-нуга станцию СИИТ-3, а запись велась в автоматическом режиме с последующей передачей информации на ЭВМ для обработки.

Исследования на стенде проводились для условий работы рам стекдопластиковой крепи в жестком и податливом (2 варианта узлов податливости ) режимах.

Анализ графиков смещений верхняка рамы в жестком режиме показал, что максимальная нагрузка на верхняк составляет 116 кН при прогибе его до 320 мм. При этом следует отметить тот факт, что в момент растрескивания верхняка происходит снижение нагрузки,воспринимаемой рамной крепи (до 30%)(рис.3,а).

Исследование крепей в податливом режиме показало,что,в зависимости от конструкции смещения в узлах податливости достигают 35-40 мм (узел I) и 50-85 мм (узел Й )(рис.3,6,в).

Общие смещения крепи (смещение в узлах податливости + прогиб элементов верхняка) достигают 440 мм, а нагрузка на верхняк - 135 кН, что составляет примерно 30% от нагрузки, воспринимаемой арочной крепью из спецпрофиля СВП. Однако максимальные вертикальные смещения центральной точки верхняка стекдопластиковой рамной крепи превосходят в 2-2,5 раза этот же показатель у арочных металлических крепей, что говорит о её более высокой работоспособности .

Результаты исследований рам стекдопластиковой податливой крепи сравнивались с результатами расчета её элементов по разработанной инженерной методике с привлечением классических методов сопротивления материалов.

IZ,

лm Zoo

zco

100

о

5"0

100

1SO

P кН

¿ и,

мм 4сс

Зое 200

<00

/

/ /2

41

ч

о 5~о 100 1SO р, К H

б К,

мм 4CG

300 200 100

О So ice 15о Л к H

Рис.3. Результаты испытаний рамной стеклопласти-ковой крепи: а - без узлов податливости; б -с узлами податливости первого варианта; в - с узлами податливости второго варианта; 1,2 - соответственно 1-я и 2-я серии испытаний; U- смещение крепи; Р- нагрузка на крепь

/У

1 i \ 2

Расчет несущей способности крепи выполнен с использованием метода сопротивления материалов (рис.4).

I I I I I I Н *

Хво

В

X

е

С Хс *

Рис.4. Расчетная схема

Заменяя опорные шарниры на соответствующие опорные реакции Хо , , Хс , пр уравнениям статики получим

а В

у _ у = - •

■о 'с 2 '

х = х = -^-(в'-г2) +

Л0 Лс ^ )

РЬ .2

СО

(2)

где В - ширина рамы в основании; Ь - высота рамы; £ - длина верхняка; - нагрузка соответственно со стороны кровли и боков

Величины шарнирных реакций Хд и Уд определены из условия равенства нулю всех сил на оси X и У :

«V ' ' РК

(ь'-П +

(О

. й)

По подученным величинам реакций в шарнирах строятся эпюры внутренних силовых факторов, возникающих в элементах крепи.

Перерезающая и продольная N0 силы в точке О,а также <3Аи МАв точке А боковых стоек определяется соответственно по формулам

С?о = созсС + Ус ъ'игоС ;

С5)

N

Б

Х0 - соБоС ; (6)

= - ХА со^оС + Ул^иг«*. 0 )

Л/д - " Хд &1по(. - Уо^оС , (6)

где ©С - угол наклона стоек крепи.

Значения внутренних силовых факторов в крайних точках верхняка соответственно составят

■ л/; = - . -Оо)

Максимальные значения изгибающего момента М реализуются в серединах верхняка и боковых стоек крепи. Их максимальное значение составляют: в верхняке

Уа1 д-е2 , • мм 2 8 ' ЙО

в боковой стойке

где 64- длина боковой стойки.

Принимая величину разрушающего напряжения при сжатии для стеклопластика на основе нити БМПС, образованного продольно* поперечной намоткой, равной 330 МПа и подставив численные значения входящих в выражение величин, получаем для условий шахты "Западная" , что внутренний и внешний диаметры стоек и верхняка соответственно должны составить 170 и 196 мм, а запас прочности, полученный расчетным путем по нормальным напряжениям в элементах крепи составляет не менее 2.

Кроме расчета несущей способности крепи были выполнены исследования по определению толщины проставки узла податливости/, при которой происходит её постепенный разрыв под влиянием действующей нагрузки, а для узла /У - размеры зубьев (шпонок), при которых происходит их последовательный срез под влиянием нагрузки.

Результаты расчета подтвердили правильность выбора толщины проставки,равной 3 мм, при которой происходит её разрыв. В соответствии с принятым методом расчета максимальная ширина зуба (шпонки) , при.которой происходит её срез определялась по формуле

и =____(О)

п ? -

где Р - приложенная нагрузка; И - радиус проставки; {?Ср -сопротивление срезу.

Подставив численные значения, получим й-ЗО мм.Толщина зуба й , при которой происходит его срез, - определяется по формуле _

• с1 "" ТГПСм , (*4)

и составляет 3 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная задача создания новой трапециевидной рамной крепи из композиционных материалов для крепления подготовительных выработок с агрессивными средами, позволяющей значительно увеличить срок службы крепи, снизить трудоемкость её возведения и повысить безопасность работ.

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Анализ физико-механических показателей композиционных материалов показал, что для изготовления крепи подготовительных выработок, устойчивых к агрессивному воздействию шахтных сред, наиболее приемлемым материалом является стеклопластик на базе нити ВМПС и ровинга РВМН.

2. Установлено, что покрытие поверхности элементов стеклоп-ластиковой крепи токопроиодящей тканью и лаком типа ХП-5237 предотвращает образования статического электричества и искры, а также исключает хрупкое разрушение элементов крепи при наг-ружении. Применение специального вспучивающего огнезащитного покрытия с образованием пенококса препятствует нагреьу поверхности элементов крепи.

3. Разработана конструкция трапециевидной рамкой крепи с элементами из пустотелого цилиндрического стеклопластика с толщиной стенки 13 мм, диаметром кольцевого сечения 196 мм и узлами податливости боковых стоек, обеспечивающая снижение удельного веса и обладающая повышенной устойчивостью к агрессивным средам.

На основе требований к стеклопластиковым рамным податливым крепям сформулированы требования к структуре технологических линий по производству элементов крепи.

4. Проведены стендовые испытания стеклопластиковых рамных податливых крепей с различными узлами податливости и установлены зависимости изменения её несущей способности от приложенных нагрузок и параметров элементов крепи.

5. Для практического применения стеклопластиковой рамной по-

датливой крепи при проведении выработок разработана методика инженерного расчета её элементов с применением теории тонких оболочек и конечных элементов . Определена область применения предложенной крепи, которая распространяется на горизонтальные и наклонные выработки , проводимые как вне зоны , так и в зонах влияния очистных работ на глубине до 300 м.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Литвиненко Н.Г. Новые рамные крепи для крепления подготовительных выработок в агрессивных средах//Экономика угольной промышленности.- М. :ЦНИЭИуголь,1994.-№ 2.-3 с.

2. Хохлов И.В..Литвиненко Н.Г. Новые материалы для крепления горно-подготовительных выработок //Научные сообщения ЙГД им.А.А.Скочинского.-М.,1995.-Вып.29?.-5 с.

3. Положительное решение по заявке на изобретение № 94035Б39/ от 26.09.94 г. Рамная крепь горной выработки/Хохлов И.В..Литвиненко Н.Г.,Попов В.Г.

4. Хохлов И.В..Паршуков Е.И..Литвиненко Н.Г. Сооружение шахтных калориферных ' установок из . композиционных материалов. -М. ¡ЦНИЭИуголь, 1992. -15 с.

5. Патент № 2010915 Российской Федерации. Способ определения высоты распространения над выработкой'зоны техногенных трещин. /Хохлов И.В.,Литвиненко Н.Г. Опубликовано 15.04.94. Еюл.№ 7.

Заказ -Y.- . Тираж ICO экз. Печать офсетная. Формат 60x64/16. Объем I п.л. Типография Кузбасского государственного технического университета. " 65002o, Кемерово, уд.Красноармейская,115.