автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.02, диссертация на тему:Выбор параметров профилей и узлов податливости шахтной металлической крепи

РГ6 ол

2 I и-'-Л •

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЛУНЕВ ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРОКАТНЫХ ПРОФИЛЕЙ И УЗЛОВ ПОДАТЛИВОСТИ ШАХТНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПИ

Слециальность 05.15.02 - Подземная разработка месторождений полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-1057

1'аЛота выполнена в Тульском государственном университет^

НаучныЯ руководитель

Заслуженный деятель науки и техники РФ дгкт. техн. наук. проф. З.Я.Каретников

Официальные оппоненты: академик АГН, докт. техн. наук, проф. И.С.Крашкин канд. техн.наук, доп. Н.И.Прохоров Ведущее предприятие - АО Тулауголь

Защита диссертации состоится " ^ " (¿№/-¿3 1997 г.' в Ш часов на заседании диссертационного совета К 063. 47.0> Тульского государственного университета по адресу: зооесю, г.Тула, пр. Ленина. 92.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского гисулпрстпенного университета.

Ученый секретарь диссертационного сов канд.техн.наук, доце

О.М. Пискунов

-3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОШ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Одной из основных причин, сдеряшпаюшпх эффективность подземной добычи угля в России, является высокая' трудоемкость работ, связанных с проведением и поддержанием подготовительных выработок, особенно при неустойчивых вмещающих породах. Практически отсутствуют средства комплексной механизации производственных, процессов при проведении подготовительных выработок, протяженность их растет, увеличиваются затраты на поддрр-жание. Поэтому задача, обеспечения устойчивости выработок путец совершенствования конструкций крепи на основе разработки метод! г< расчета, позволяющих раскрыть резервы их несущей способности, приобретает особую важность и актуальность.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит а совершенствовании методики опенки предельных состояний металлических податливых крепей подготовительных выработок угольных шахт для выбора параметров специячьннх шахтных профилей и узлов податливости, обеспечивавших попн'иенче зфективности и безопасности ведения горных работ.

ИДЕЯ РАБОТЫ заключается в определении несущей способности 1' перемещений металлических-податливых крепей с учетом нелинейных характеристик узлов податливости, изменения-формы и пластичесгл'--: деформаций их элементов на основе численного моделирования с использованием метода начальных параметров.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в анализе и научном обобщении имеющихся результатов экспериментальных исследований работы узлов .податливости, аналитической оценке несущей способности узлов г. _ учетом конструктивных параметров'.соединяемых профилей и соединительных замков, численном моделировании на ЭВМ силового взаимп действия податливых крепей с породами, обобщении результатов моделирования.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, РАЗРАБОТАННЫЕ ЛИЧНО СОИСКАТЕЛЕМ, И НРР1ШД-получены. формулы для определения сопротивления узлов податливости металлических крепей из спецпрофилей с учетом нзгптюп жесткости их стенок и днищ, деформационных и прочностных характеристик замковых соединений, а. также характера вз^мчого контактирования соединяемых профилей в узле, позволяющие 'на стадии проектирования производить. оценку параметров профиля- по критериям эффективности работы узлов;

'.' установлено, что обобщенная нагрузочная характеристика податливых узлов металлических шахтных крепей может быть предстль

л<чт диаграммой деформирования упруго-пластического-тела с нелинейным упрочнением, описываемой универсальной степенной функцией, что "позволило расширить область применения существующей методики автоматизированного расчета шахтных крепей за счет учета реальных нагрузочных диаграмм узлов, как элементов системы крепь-массив;

' скорректированы алгоритм и программа расчета металлических шахтных крепей на ЭВМ. что позволяет при расчетах вместо условного .параметра "сопротивление узлов податливрсти" вводить в исходных данных геометрические, деформационные и прочностные характеристику элементов соединяемых профилей и соединительных замков или обобщенные параметры,, определяющие форму реального графика работы узла в целом;

введено понятие "линии влияния виртуальных перемещений в узлах". позволяющее оценивать величину и характер распределения внутренних, усилий и'перемещений в элементах крепи, обусловленных просадкой узлов;

па базе линий влияния разр^отана методика расчета податливых крепей по предельным усилиям в узлах;

показано, что работоспособность податливых узлов может быть существенно {до 1.65 раза) увепичена за счет повышения жесткости замков и увеличения толщины днищ спецпрофилей.

ОБОСНОВАННОСТЬ и ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и регомешший подтверждается корректным • использованием методов строительной механики, сопротивления материалов и механики подземных сооружений, уравнений метода начальных параметров и апро-. Оированных" расчетных моделей, алгоритмов и программ, а также удовлетворительной сходимостью результатов исследований с экспериментальными данными, полученными при испытаниях узлов и • крепей (в большинстве случаев расхождение не. превышает 14- 19 •/,).

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит в установлении .закономерностей Формирования несущей способности шахтных металлических податливых крепей с учетом реальных характеристик .податливых узлов,, зависящих от геометрических. ■ прочностных'и деформационных параметров соединяемых профилей_и соединительных-замков, а также от изменения формы крепи, обусловленного срабатыванием узлов.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ состоит В. разработке методики автоматизированного расчета металлических крепей с учетом, особен-' нослей работы узлов податливости, реализации разработанной мето- " лики в виде' пакета прикладных программ для персональных ЭВМ, поз-тп.таицнх проводить много'вариантные расчеты для оптимизации пара-

• 5 - .

метров спенпрсфалей, узлов и крени ь мелям. Мего^иь.» прпнп.л ,.нк базовая -в системе "САПР паспортов крепления ьие-мочыд. илра.оз" для условий Подмосковного бассейна.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результат»! рлоити ьулли составной частью в систему "САПР крепей подготовительных ьщрг-йыт.к". разрабатываемую в 'ГулРУ совместно с АО 1ШИЯ1; разработанные ¡м'.нс-•' трукщга узлов и спеипрофилвй одофени* и Припяти Угольной i-i-f.si.ann ей "Укррссугонь"; получено положительное решение на патенг. ■

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения лиссерганииший рчомги докладывались на XXXII и XXX111 научно-теэ-иических ксиЦврмиших нрофесоороко-преппдавательосого соаава ГулГУ (г. Гула. 19Э6 - 199? гг.);- на 1-й Международной конференции "Проблемы создания ы,алогически чистых и ресурсосберегающих технологии добычи полезных ископаемых и переработки отводов горнего производства" с. .„¿-ю. (Тула", 1996 г. ); на расширенном аасед&шш кафоарм -"Технология и комплексная механизация горних работ" (г. Тула, 1997 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По' результатам выполненных исследований опубликовано 4 научные работы.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация- состоит из введения, гшш глав-, заключения, содержит 218 сгряшц. включая 72 рисунка, 16 таолип и список лнтергтуры из 178 наименований.

Автор выражает глубокую прпгшгедовсть и ола! одариоси. • докт.техн. наук, проф. В.Б.Клейменову за ценные г.ивкты и ноуыье консультации при выполнении работы.

' ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

■ ЗначительнмГЪклад в обоснование параметров и соЬоркиытм! -вание методов расчета металлических рамных крепей подготовитеиь ных выработок внесли: И. В. Баклашов, Н.С.Булычев, М. И. Гелоокул, Л. А. Джапаридзе, Б. Б. Дружно. Л. М.Ерофеев. Ю.З.Заславский, Ф. С. Зи-гель, В.Н. Каретников, . Б. А. Картозия. Е.С.Киселев. В.Б.ИлеПиеиов. И. Г. Косков. К. В. ¡(ошалев, Г. Г. Литвинскин. А П. Мак сипов, М П. Маркович, В. А. Потапенко, В. В. Смпрняков, Б. М. Усаченко, И. й. Черняк, Б.А.Азимов, В. А. Бреднев, В. М. Еганов, Г. И Г'айко, А.ИДолгун. И В. Казанский, Л. А. Мпрглшшкова. Н. И Прихоров, А. В. Стеиеннов, Г. С. Франкевич, Б. В. Цыплакое. В. И Шапошников, О.Якоби и другие-• ученые. Однако практика показывает, что' существующие расчетные .модели не полностью раскрывает причины неудовлетворительной работы крепей и резервы их несущей способности. При оценке предельных

-6- . • •,-остсяшш крепи не в полной пере учитываются особенности работы: узлсш податливости. •

Аналитической оценке несущей способности податливых узлов металлических крепей до сих пор не уделялось должного внимания. Проводились главным образом стендовые испытания, но их результаты не в полной мере соответствовали шахтным наблюдениям и расчетным дышим. На наш взгляд, это объясняется тем, что при расчетах не учятивалось сложное взаимодействие в узле системы, состоящей, как шшинум. из трех деформируемых элементов "профиль-профиль-замки". Ее ни учесть при этом работу всей крепи и сложный характер ее наг-ружения, то получаем пространственную расчетную схему достаточно сложной в статическом отношении системы.

Учитывая сказанное, аналитические исследования нами выполнялись с параллельным использованием двух подходов.-

1. На первом этапе путем введения упрощающих решение гипотез и допущений были получены замкнутые аналитические выражения для' установления функциональных зависимостей исследуемых параметров от задаваемых.

2. ]!а втором этапе была скорректирована обобщенная расчетная недель напряженно-деформированного состояния системы, позволяющая путем проведения многовариантного численного моделирования на ЭВМ получать необходимые графические и корреляционные зависимости.

На основании первого подхода были получены 'формулы для определения усилий в узле через"к.снструктишше параметры .соединяемых спецпрсфилей и соединительных замков для четырех характерных схем взаимодействия элементов в узле;

первая - когда учитываются пространственные деформации только' стенок соединяемых профилей;

вторая - дополнительна учитывается'изгиб днищ из плоскости ьривизны спецпрофилей; ' .

третья - в дополнение, к вышеуказанным добавляется 'учет деформации боковых участков огибающих планок;

четвертая -дополнительно учитывается деформация днищевой част огибающих планок.' В результате имеем: -.для первой схемы Н = (2С1Д)/((]11г-113/3151г3/3)соза]; (1)

для второй схемы

1/С,) (11.г-1,5/3+5123/3|соза+(1/2Сг) (11, аг13)соза], (2) для третьей схемы

К'= [2С1(С1+Сп)Д]/{(СЛ1г,-С1113/3+5(С1 + Сп)(1г3/3)]соза), (3)

для четвертой схемы • ■

N = 2А /[(А+В)С08а]. (4)

где А - '"отрицательны;! зазор" между стенками соединяемых спецпрофилей, _ который должен бить'"выбран" за-счет деформаций поперечных сечений спецпрофилей при их стягивании хомутами; А = [1,г(31-1,)] / [3(С,+С3И + 51гэ/ЗС,; В = (1/2)" {_Ш1/(Сг+С4)]-1г13/Сг} (1)( +Ьг).

6

. А = Е Д,;

Д,= (Н11г/2С1) (1-11/3)соза; Да=(5Н1г3/6С,)со?.а; . й3=.(М111/4Се)(Ь,+Ьг)сояа; Д4= (И1г13/4Сг)(Ь1+ьг)сояа: А,+ Дг+'Д5 = [N14 г/2(Сг (1-11/3)созаь(5М1г3/6С1)сора; Дз+Д4+Д5»Н{{111Сг+1г1з(Сг+С4)]/[2Сг(Сг+С4)]}(Ь,+Ьг)соеа. где Сц, Сг - иесткоати с!енок и днища спецпрофиля; С3, с4 - жесткости стенок и днища огибающей планки; 1.14.1я, 1з - геометрические параметры, определявшие положение #зст контактирования соединяем!.« профилей в податливых узлах.

По структуре формул мсуно заключить, что усилия N в узле возрастают пропорционально параметру А и определяются величиной кахлеста спецпрофилеЯ. тощшсй и шириной их стенок и днищ, положением точек контактирования, а также жесткостью элементов закко- . вах соединений! В частности, они показывают: геометрические параметры серийных профилей СВП таковы, что получаемое для них значение Д практически находится в пределах допусков изготовления,' ' составлял. 0.5-1.5 мм. Кроме того, конфигурация этих профилей пе обеспечивает' контактирования стенок по всей их высоте, в результате чего точки приложения равнодействующих расклинивающих сил Я находятся вблизи от фланцев, т.е. у раскрытой части поперечного сечения, а это снижает, кесткость системы и расчетную величину сил N . Поэтому при совершенствовании профилей для повышения заклинивающего эффекта необходим» стремиться к тому,, чтобы соприкасающиеся погерхности стенок сопрягаемых профилей были максимально приближены к днищам. ' '

■ Формулы (1)" (4) открывают возможность проводить качественный и количественный анализ для построения нагрузочных характеристик и оценки работоспособности как существующих, так и проектируемых узлов податливости. Полученные по ним результаты значительно бли-. пе к экспериментальная данным, чем при расчетах по недофоркиро-

ваниаму состоянию. Однако в них не нашли отражения факторы, учитывающие влияние на работу узлов конструктивных особенностей той или иной крепи. Поэтому на основании принятых в настоящей работе предпосылок была скорректирована общая расчетная модель напряженно-деформированного состояния крегм с учетом установленных закономерностей работы податливых узлов. С этой целью в программу-расчета шахтных крепей на ЭВМ были введены соответствующие коррективы . что позволило вместо значения параметра "сопротивление узлов податливости" вводить в «сходных данных совокупность значений параметров, характеризующих геометрические и деформационные свойства соединяемых спецпрофилей и соединительных замков.

За основу была принята базовая расчетная модель метода" начальных параметров, разработанная В. Н. Каретниковым. В. Б..Клеймёновым и их учениками. В соответствии с нею напряженно-деформированное- состояние любой шахтной крепи, состоящей из криволинейных и прямолинейных элементов, несущих произвольную нагрузку. ■ описывается системой алгебраических уравнений, из решения которой определяются искомые факторы. ' . '

Отличительной особенностью усовершенствованной нами модели является учёт граничных'.условий, выражающих особенности' работы узлов податливости. Нагрузочные характеристики узлов вводятся в общую матрицу коэффициентов с использованием следующих рекурент-ных выражений: -

- для углов поворота

GUSK[9(1+1)+1 ] =Хв,.' GUSK[9(1+1)+2J=ХВ2, GUSH[9(1+1)+3]=Х83;

- для касательных перемещений

GUSH[9(l+l)+4]=Xz1, GUSK[9(i+l)+5]=XZ2, GUSK[9(l+l)+6]=Xz3;

- для радиальных перемещений

GUSK[9(1+1)+7] =ХХ| _ GUSKC9(1+1) +8] =Хх2, GUSK[9{l+l)+9]=Xx3, где \в1 ХОг.....Хх3 - переменные коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров узла и крепи; 1=1,2,..'. .NE-- порядковые номера соединительных узлов. . Узел рассматривается как -упру- го-пластическое тело с нелинейным упрочнением..-

Условия деформирования узла выражены соотношениями:

- при работе узла з упругой стадии

N = E-Z , N < Нт; ..' - - (о) -

- при работе узла на-участке пластических деформаций (скольжения) 'с упрочнением -

, N = NT[(Z - Zr)/(Z - Zt"))K; ' ' - (6)',

Z = + Zy (6/6T)l/B .. (7)

где Е=1еа -модуль упругой деформации (упругой податдцвости) у^л»; а - угол наклона графика упругой деформации;. 2 - текущая деформация (податливость) узла; г* ^пластическая деформация узла до начала упрочнения; 2Т - общая деформация узла до начала упрочнения; 2У - упругая или квазиупругая деформация узла, включающая все виды деформации появления площадки текучести»

га - показатель упрочнения узла, определяемый из соотношения . гл - {1п(Пв/:М] /{1п[(гв-гт)/гу1}. где мв - предел прочности (временное сопротивление) узла;

2а - деформация (податливость) узла на пределе прочности. Степенные выражения (6) и (7) описывают истинные диаграммы деформирования узла вплоть до момента разрушения и позволяют решать нелинейные задачи с учетом физической и геометрической нели-нейнастей в широком диапазоне деформаций (податливости) узлов. Входявде в них параметры определяются аналитически или по данным испытаний узлов с запись» диаграмм деформирования.

Нелинейности деформирования влияют на жесткость узла, что учитывается на участке деформационного упрочнения переменным модулем деформации Ег , ' определяемым в произвольной точке графика деформиро&лия по формуле,

Е, = (гаЯ,/2уп) <г-?/т)""1. При расчете на ЭВМ используется.пошаговая по нагрузке процедура.

В работе с использованием численного моделирования была исследована зависимость усилий в податливом узле'от соотношения толщин стенки и днища желобчатых спецпрофилей типа СВП при различном характере их контактирования в соединениях. Показано, что "ужесточение" " днища сиецпрофилей типа СВП могло бы привести к существенному увеличению несущей способности соединительных узлов. Так, для СВП17 при контактировании стенками это увеличение составляет до 1,35 раза, а при контактировании фланцами - до~1.65 раза. Для профиля СВЯ22 увеличение соответственно составляет 1.2 и 1.3 раза, а.для профилей СВП27 - 1,2 и 1,1 раза. Установлено, что несмотря на существенное различие в кассе профили СВП17 и СВП27 создает в узле практически одинаковые расклинивающие усилия. Это означает, что при их .создании данному обстоятельству не было уделено' должного внимания. Что_касается профиля СВП22, то при его применении может быть достигнут расклинивающий эффект., в 2 раза меньший, чем у профилей СВ1Т1.7 и СВП27. При ■ контактировании же по фланцам величина расклинивающего усилия у всех трех типов профилей

-ю- • •

СБА в -1--5 раз меньше, чем при контактировании по стенкам.' Раскли-ниващее усилие в этом случае настолько незначительно, что при расчетах сопротивления узлов им можно пренебрегать.

Свойство профилей СВП контактировать по фланцам считается■ одним из главных достоинств. Однако о этан нельзя согласиться, так как отсутствие контакта по отеккам и днищу приводит к неустойчиво/г работе узла, раскрытию профилей, отрыву днища от стенок, сдвигу хомутоа. Указанное обстоятельство было учтено нами при' конструировании последней модификации профилей СВПУ:

Было выполнено исследование влияния жесткости соединительных замков на несущую способность1 податливых узлов металлической крепи. Рассматривались главным образок серийные замки с резьбовшН' соединениями, состоящие из П-образных 'хомутов и планок - плоско!' и фигурной (огибающей). При исследованиях варьировалась «асткосг планок в сопоставлении с жесткостью поперечных сечений соединяв мых профилей. На основании исследований можно сделать выв8д, чт за 'счзт применяемых в настоящее время фигурных планок1 величий расклинивающего усилия дда профилей СВП!7. СВП22 и СВП27.--мояе Сыть повышена соответственно от 2,'6 во 3,6, от 2,4 до 3,5 и 'О' 1,6 до 2,4 раз - при контактировании профилей стенками и от 2,; до 2.6, от 2,0 до 2,4 и от 1,В до 2,4 - при контактировании- ш фланиам. Теоретически за счет ужесточения фигурных-планок (скоб! можно повысить величину раоклиииващвго усилия, примерно, в 5 рай при контактирования профилен по стенкаи и в 3, 2 раза при контактировании по фланца»',. Однако реально, по конструктивном соображениям. речь ыоавт идти о воэчожном увеличении этого усилия только до 3,5-4.1 и до 2,8-3,5 раз соответссв'енно. Так, при контактировании по стайкам для профиля СВП27 за счет применения Фигурной планки исследуемое усилие повышается с 17.5 до 27,5 кН, для'про-•филя СВП22 - с -13 ДО 18,7 кН, для профиля СРП17 - с 21 до 28 кН.

Сдавленные тенденции изменения продельных усилий в узлах позволит сдалать выаод о целесообразности применения упруго-напряженных соединительных замков, выполненных в виде штампованных или дйтш скоб, напрягаемых клином. Примером'такой конструкции - является узел подзтдивозти с двухклиновыыи замками (рис.1), разработанный в ТулГУ п имайдай плавную й стабильную характеристику. Вместе с тем. как показали исследования, необходимо совершенствовать форму'поперечного сечения спецпрофилей по критерию обеспечения надежной работы узлов податливости. Эта задача в определенной мере решена при разработке конструкции профиля СВПУ, • созданной с

участием автора в ТулГУ.

Предлагаемый спецпрофиль (рис.2) состоит из прямолинейного днища 1. и двух наклонных боковых стенок 2 с Фланцами 3. Днище 1 сопрягается с боковыми стенками 2 внешней цилиндрической поверхность!) 4 и внутренней цилиндрической поверхностью 5. В замковом соединении профили образуют компенсационный зазор 6. При выбранных значениях "а",'И," и "Нг" для создания заклинивающего эффекта по цилиндрическим поверхностям 4 и 5 необходимо, чтобы данные поверхности в точке "Л" Их контакта имели общую касательную. Это возможно,* если толщина боковых стенок профиля "(V будет равна а, -- Ш - (Нг - Н,)(1 -'з1ш)]зта .

При сборке крепей из спецпрофилей их укладывают с нахлестом друг на друга ц стягивают соединительными узлами. При этом контакт профилей осуществляется по боковым стенкам 2 и с расклинива-. вщим эффектом между внешней цилиндрической пойерхностыо 4 внутреннего профиля и внутренней цилиндрической поверхностью 5 наружного профиля. Поскольку цилиндрические поверхности 4 и 5 в момент затяжки соединительных хомутов имеют общую касательную и толщина стенки профиля от места их контакта (точка "А".) к днищу профиля увеличивается, область спецпрофиля 7 создарт.нарастающий заклини-вацщиП эффект. Под воздействием горного давления на крепь происходит перемещение профилей в узлах податливости и взаимный износ трущихся поверхностей. Кроме того, сопротивление перемещению будет зависеть не только от трения.. но в большей степени - от геометрических, параметров и от упруго-пластических свойств материала профиля в области 7, • реализующей заклинивающий эффект двух профилей. Кроме того, в предлагаемой конструкций спецпрофиля стенки в местах сопряжения с днищем работают не на изгиб, а на сдвиг, что исключает раскрытие профиля.

Таким образом, предлагаемый спецпрофиль обладает повышенной несущей способностью за счет увеличения заклинивающего эффекта в области днищ профилей и повьмения сопротивления взаимному перемещению спецпрофилей, в ' замковый соединениях. Утолщенное днище предотвращает раскрытие и разрыв спецпрофиля, повышает его сопротивление кручению. Сравнение приведенных на рис, 3 диаграмм деформирования узлов податливости из профилей СВП17 и СВПУ14 показывает' очевидные преимущества- предлагаемых, профилей над серийными.

' Исследования показали, что одним из главных недостатков теории и практики'Проектирования узлов податлйвостй металлических Крепей является.несоответствие расчетных схем я условий испытания

Узел податливости с "дву»ихшвшщ замками ■ ' конструкция ТулГУ

Оечения предлагаемых сщецпрофклей СВДУ:

-Д.

а - схеда соедцнзная; б ~ схема контактирования

реальньм условиям их работы. Это несоответствие состоит в том. что результаты расчетов и испытаний, полученные для узлов, соединяющих прямолинейные элементы, переносятся на любые,узлы реальных крепей. Не учитывается ■ то, что во многих случаях при взаимном проскальзывании- соединяемых элементов крепи в узле не резлизуется возможный (виртуальный) угол их взаимного поворота, т.е. скачок угла поворота на сопряжении элементов. Вследствие этого возникает ■ изгиб-элементов крепи, приводящий к внутренней напряженности всей крепи. При этом характер распределения внутренних усилий й перемещений зависит от конструктивных особенностей крепи: формы очертания, • кривизны и жесткости элементов, типа соединительных узлов, •условий опирания и др.

. Здесь ваяно .помнить, что каждый скользяще-податливый узел при просадке оказывает вполне елределенное влияние на каждое из сечений крепи. При рличии нескольких податливых узлов "их влияние суммируется. Это влияние настолько существенно, что, как правило, приводит к нарушению нормальной работы узла, сопровождающемуся взаимным поворотом соединяемых элементов, т. о, частичной или полкой реализацией требуемого скачка угла поворота и снятием самонапряжения. Крепь теряет заданные свойства несущей конструкции.

Исходя из сказанного, при расчетах крепи, обусловленные е^ самонапряжением, должны суммироваться с результатами расчета на внешние воздействия. В существующих расчетных схемах, рассматривающих крепь в-одном зафиксированном состоянии, этот фактор не учитывается, так что их использование практически теряет смысл.

При применении методики расчета металлических податливых крепей на ЭВМ, предлагаемой Нами, указанные особенности статической работы крепи учитываются в полной мере автоматически в ходе расчета. При этом не накладывается ограничений на тип спецпрофилей, конструкцию узлов, податливости и крепц в целом.

Однако, при коструировании крепи возникает необходимость провести предварительный анализ по рациональному размещению узлов податливости на контуре крепи, выбору кривизны каждого из несущих . элементов, определению длины нахдеста в узлах и площади попереч-4' ного сечения хомутов и др. параметров. Поэтому нами для решения • подобных задач введено понятие "линии влияния виртуальных перемещений в узлах податливости". Здесь имеются*-в виду эпюры силовых и кинематических Факторов в элементах крепи от единичных скачков с узле-перемещений'крепи (угла поворота, радиального и касательного

Хдограшн дофсрмлрсшэнля узлов яодатдяэостя

г

перемещений). '

В общем случае расчеты и построение таких эпюр могут бы п. произведены на ЭВМ по предлагаемой методике, для чего задается единичный скачок перемещения в сечении, где расположен узел податливости. и вводятся все остальные исходные данные в соответствии с методикой, кроме внешних нагрузок.

Впрстейших случаях можно обойтись без ЭВМ, применив классические методы строительной'механики, например, метод перемещений. Рассмотрим для примера, как наиболее показательную, кольцевую че тыр'ехсегментную крепь с четырьмя скользящими узлами гюдаглиностн. расположенными под углем -15 градусов к вертикальному и горизон- -тальному диаметрам. Для численного анализа примем параметры крепа КМП-К4 : диаметр-3,0 м. профиль СВП17 (рис. 4).

На рис. 4,а приведены линии влияния скачков угла поворота в симметричных сечениях 4 и 4' на углы поворота в остальных сечениях кольца крепи. . Чтобы получить единичную эпюру углов поворота с учетом срабатывания всех.четырех узлов, нужно дополнительно построить аналогичную эпюру для нижних узлов путем поворота приведенной эпюры на 180 градусов вокруг центра круга с последующим алгебраическим суммированием ординат в местах наложения эпюр одна на другую. ;

' Используя единичную эпюру, можно легко получить реальную эпюру виртуальных углов поворота для любой .величины.скачка.

На' рис. - 4. в приведена единичная эпюра М' изгибающих моментов от виртуального скачка угла поворота в правом верхнем узле кольца крепи. Максимальное значение момента 16.2 кН-м приурочено к сечению 4. в которо!1 реализируется скачок угла поворота.' Расчет показал, что при А0 = 0,1 радиана возникающее самонапряжение кольпа близко к предельному, так как .в его сечениях образуется 7 пластп-че'ских, шарниров (в сечениях 4. З',г 5; 2 и 6; 0 и 8). Таким обра зом, четверть кольца, прилегающая к влияющему сечению 4, переходит в пластическую стадию, переводя крепь в предельное состояние.

Единичная эпюра ¡Г продольной силы от'.угла поворота в сечений 4 приведена на рис. 4,6.

Имея линии влияния единичного угла поворота для всех изучаемых факторов, можно найти эпюры изгибающих моментов, продольных сил, углов поворота, поперечных сил, радиальных и касательных перемещений при любом количестве и расположении податливых узлов в кольце крепи. Это осуществляется путем алгебраического суммирования ординат единичных эпюр в соответствии С расположением узлпн

Лшгиг влияние скачка утла повороте е сечешш 4 шолатливом узле);

Рис. 4

а - на утлы поворота; б - на продольные силы; в - на кзгкбаодке моменты

-17В заключение можно' отметить несколько практических вноодон по конструированию, сборке и эксплуатации металлических шахтчнх крепей: скольжение профилей при реализации податливости узлов должно происходить совместно с 'замковым соединением; конфигурация стыкуемых профилей должна быть такой, чтобы их взаимное контактирование и передача усилий обеспечивались не на- фланцах, а в зонах сопряжения стенок с днищем: величина начального нахлеета соединяемых элементов должна-быть увеличена с рекомендуемых 300 до 400 и более мм. а при невыполнении этого условия необходимо предусматривать специальные компенсационные элементы для частичного погашения изгибающих моментов в податливых узлах; огибающие планки должны иметь точность изготовления, соответствующую точности изготовления специрофилей, т.е. изготовляться прокаткой с последующей резкой; затяжка резьиозых соединений должна контролироваться динамометрическим ключом с периодической проверкой во время эксплуатации крепй; резьбовые соединения должны быть покрыты смазкой и защищены специальными колпачками.

Эти условия в значительной степени выполняются в зарубежной практике. •

' ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Представленная диссертация является научной квалификационной работой, в которой содержится новое решение задачи совершенствования ' методики • выбора параметров специальных шахтных профилей и .узлов податливости металлических крепей подготовительных выработок На основе установленных закономерностей формирования их нап-. ряЖенно-деформированного состояния с учетом искажения начальной Формы, больших перемещений и неупругих деформаций, что позволяет за счет более полного учета характеристик прокатных профилей и узлов податливости выбирать'параметры крепи.

.Основные' результаты работы и выводи заключаются в следующем.

1. Анализ литературных источников показал, что одной из основных причин неудовлетворительного состояния вопросов, связанных с креплением и поддержанием подготовительных выработок, является несовершенство методов их расчета, не учитывающих ряд конструк-

. тивных особенностей узлов'податливости, существенно влияющих на 'работоспособность крепей.

2. На основании проведенных аналитических исследований получены формулы для определения предельных усилий и сопротивления узлов податливости ■ -металлических крепей из спецпрофилей СЕП г,

уч'.-поп из! иОнои WGCTKOCTIÎ six стенок и днищ, деформационных и прочностнмЯ характер(|ст!!к замковых соединений, а также характера взаимного контактирования соединяемых профилей в узле.

3 Обоснованы предельные состояния податливых узлов металлической крепи с учетом .совместного деформирования системы "про-Ф11.т;-Г1{н>Фп.чь-соэдишпелышЙ замок" при их работе в упругой и ■ пластической стадиях.

4. Установлено, что обобщенная нагрузочная характеристика податливых узлов металлических шахтных .крепей может быть аппроксимирована диаграммой деформирования упруго-пластического тела с нелинейным упрочнением.

Получена математическая интерпретация работы узлов податливости, сформулированы граничные условия, обеспечивающие расширение умести применения существующей методики автоматизированного расчета гахтннх крепей за счет учета реальных нагрузочных диаграмм узлов, как элементов единой системы крепи.

5. Скорректированы алгоритм " программа расчета металлических тх1 инч. креппй на ЭВМ. что позволяет при расчетах вместо условного параметра "сопротивление узлов податливости" вводить в исхедних данных геометрические деформационные и прочностные ха-ракуриотикв элементов соединяемых профилей и соединительных зам-K.w или. обоОвдеиные параметры,"определяющие форму реального графика paforu узла н пелом, как твердого тела, испытывающего в общем случае упруго-пластические деформации с нелинейным упрочнением. .

6. lia основе численного моделирования на ЭВМ с применением ус'.'вг-рию.чотвоьаннся расчетной модели крепи показано, что работоспособность податливых узлов может быть повышена то сравнению с серийными CBI! до 1,6? раза за счет увеличения толщины днища спрцпроФшт. Обоснована неэффективность создания гнутых профилей.' Ьиявлеи существенный недостаток спецпрофилей СВП, заключающийся в том, что взаимное контактирование соединяемых внахлест-Элементов . крсгш происходит в основном на уровне фланцев-и не распространяется lia стенки и днище, профилей, а между днищами остается зазор.

7. Установлено, что при больших перемещениях, свойственных-податливой крени, Форма очертания выработки не оказывает существенного влияния на среднюю величину нагрузок на крепь. ^.

8. Доказано, что в большинстве имеющих место на практике случаен просадка" и узлах приводит к искажению начальной Формы краги и возникновению дополнительных внутренних усилий в ее э левитах. Эти усилия существенно влияют на общее распределение

внутренних сил и ухудшают работу податливых узлов и крепи в целом.

9. Введено понятие "линии влияния виртуальных перемещений в узлах", позволяющее оценивать величину и характер распределения внутренних усилий в элементах крепи, обусловленных просадкой в узлах. На базе линий влияния разработана методика расчета поязт ливых крепей по предельным усилиям в узлах. Результаты расчетов имеют близкое соответствие с экспериментальными данными (в большинстве случаев отклонение не превышает 14 - 19% ).

10. Разработаны программные модули расчета металлических податливых крепей подготовительных выработок угольных шахт, которые воаши составной частью в систему автоматизированного пректирога-ния паспортов крепления подготовительных выработок, разработанную ранее ТулГУ совместно с А" ШУИ и утвержденную Госгортехнядзор^м в качество нормативного документа для шахт Подмосковного бассейна. Показаны преимущества предлагаемых спецпрофилей типа ОТ1У и конструкций их соединений над серийно выпускаемыми. Получено поло жительное решение на выдачу патента.

Основное содержанке диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Каретников В.Н.. Клейменов В.Б., Лунев В.Г. Ресурсосберегающие профили проката для шахтной крепи. Тезисы доклада на 1-й Международной конференции "Проблемы создания зкологиччески чистых и ресурсосберегающих технологий дсбычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства", с. 69-70. Тула, 1996.

2. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Лунев В.Г. Выбор параметров прокатных профилей и узлов податливости металлической крепи //Механика подземных сооружений. Сборник научных трудов/ ТулГУ.- Тула, 1997,- 27 с.

3. Положительное решение о выдаче патента РФ по заявке N96121806. Спецпрофиль./Каретников В.Н.,Клейменов В.Б.,Лунев В.Г. В.Г. - 13.01.97. _ "

• 4. Лунев В.Г. Мгновенный способ замены стандартных бллок. -Уголь Украины. 1993, N 5. - С. 52-53.

Подлксаво ■ иетап. ZZС(if. Формат бумаги СОхМ 1/14. Cynara типограф. Wt I.

Офсегкая печать. Усл. Усл. ер.-огг. (CS. Уч.-кзд..«. ^¿ЯГнраж 1еС жя.

Ззсгаз ¿ff.

Тухьсккй гоеударегветтый университет. 300600, Tysn, просп. Лстта, J2.

Подразделение оперзтинной полиграфия .Тульского гскудярстягкнлго уит;гр

егггеха. 3Q0600 Тула, ул.Бодай«», 131.