Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Гайко Геннадій Іванович

УДК 622.28.042.4

Наукове обґрунтування та розробка методів управління напруженим станом сталевого рамного кріплення
гірничих виробок

Спеціальність 05.15.04 – “Шахтне та підземне будівництво”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі будівельних геотехнологій і гірничих споруд Донбаського гірничо-металургійного інституту

Міністерства освіти і науки України (м. Алчевськ)

Науковий консультант:

доктор технічних наук, професор

Литвинський Гаррі Григорович,

Донбаський гірничо-металургійний інститут,

Завідувач кафедри будівельних геотехнологій і гірничих споруд.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор

Усаченко Борис Миронович,

Інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ),

Завідувач відділу механіки і гірських порід;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Друцко Віталій Павлович,

Науково-дослідний інститут організації й механізації шахтного будівництва (м. Харків), завідувач лабораторії проведення і кріплення горизонтальних і похилих гірничих виробок;

доктор технічних наук, професор

Сдвижкова Олена Олександрівна,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри вищої математики.

Провідна установа: Донецький національний технічний університет

Міністерства освіти і науки України,

кафедра будівництва шахт і підземних споруд.

Захист відбудеться 29 червня 2004 року о 12-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.08.080.04 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України

(94027, Україна, Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету

(94027, Україна, Дніпропетровськ, просп. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий 27 травня 2004 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент О.В. Солодянкін

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Розвиток промислового комплексу України орієнтований на власну паливно-енергетичну базу, основним носієм якої є кам’яне вугілля. Урядовою програмою “Вугілля України” передбачається збільшення об’ємів його видобутку в 2010 р. до 110 млн. т, причому за рахунок технічного переобладнання гірничих підприємств заплановане значне покращення їх техніко-економічних показників.

Ефективна робота вугільних шахт багато в чому залежить від стійкості гірничих виробок, яку забезпечують в умовах Донецького басейну здебільшого конструкції сталевого рамного кріплення. Його використовують майже в 90% виробок, на що витрачають щорічно більше 100 тис. т сталевого прокату, вартість якого перебільшує 200 млн. гривень. За даними холдингових компаній частка витрат на кріплення й підтримання виробок складає від 7 до 15% собівартості вугілля.

На сьогодні будівництво гірничих виробок шахт Донбасу здійснюється в складних гірничо-геологічних умовах, для яких характерні істотна неоднорідність стійкісних та деформаційних властивостей масиву, нерівномірність зміщень порід по контуру та вздовж виробки, концентрація навантажень на окремих ділянках периметра кріплення. У цих умовах типові методи проектування та існуючі конструкції сталевого кріплення не завжди забезпечують надійність та економічність експлуатації гірничих виробок. Так, щорічні об’єми перекріплень складають близько 15% від протяжності виробок, що підтримують. У той самий час характерною особливістю стану кріплення є завищений запас міцності окремих елементів конструкції, який являє собою суттєвий резерв ресурсозбереження гірничопідготовчих робіт.

Не дивлячись на те, що сталеве рамне кріплення використовують давно та в великих обсягах, його конструкції та методи проектування не забезпечують відповідності між напруженим станом кріплення й запасом міцності його вузлів та елементів, що являє собою суть науково-технічної проблеми надійного й економічного кріплення гірничих виробок.

Слід відзначити, що в умовах ринкової економіки будівництво підземних споруд набуває нового економічного значення, засноване на вільній динаміці капіталу та самостійній діяльності суб’єктів власності. На заміну вертикальним галузевим зв’язкам приходять горизонтальні зв’язки інвесторів, причому шахтне будівництво як економічний процес, являє собою безперервну інвестиційну діяльність власників капіталу протягом строку служби гірничого підприємства. Це потребує конкурентоздатних, заощаджувальних рішень щодо проектування та будівництва гірничих виробок.

У зв’язку з цим системні дослідження умов і механізму формування навантаження на рамне кріплення, закономірностей розподілу зусиль по периметру рами та розробка на їх основі ресурсозберігаючих методів і засобів управління напруженим станом конструкції – вельми актуальні.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертацію виконано згідно з програмою науково-дослідних робіт Донбаського гірничо-металургійного інституту за держбюджетними темами: “Системне обґрунтування й розробка адаптивних способів забезпечення надійності гірничих виробок” (№ 0198 U 001051), “Розробка наукових основ теорії міцності гірських порід і масивів” ((№ 0102 U 002969), “Розробка наукових основ нової технології і техніки підземного видобутку вугілля” (№ 0102 U 002970), а також згідно з науковою програмою НАТО у Краківській гірничо-металургійній академії: “Розробка методів оптимального проектування сталевого рамного кріплення гірничих виробок” (Ref. N 24/J/2000).

Мета дослідження. Метою роботи є створення науково обґрунтованої системи методів управління напруженим станом сталевого рамного кріплення, що дозволяє скоротити витрати металопрокату при кріпленні й експлуатації гірничих виробок вугільних шахт.

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей розподілу внутрішніх зусиль у конструкції сталевого рамного кріплення при різних варіантах його навантаження для забезпечення рівного запасу міцності й деформаційної спроможності вузлів і несучих елементів конструкції.

Об’єктом досліджень є система “сталеве рамне кріплення – масив гірських порід” на різних етапах їх взаємодії.

Предметом досліджень є закономірності формування зусиль у рамному кріпленні в процесі спорудження та підтримання гірничих виробок.

Методи досліджень. Для досягнення установленої мети в роботі здійснений комплекс теоретичних та експериментальних досліджень з використанням аналізу та узагальнення науково-технічних досягнень в області кріплення гірничих виробок; апробованих методів скінчених елементів, механіки стержневих систем, розрахунку інженерних споруд на пружній основі. Методика шахтних спостережень ґрунтувалася на кількісних критеріях оцінки стану кріплення й статистичних планах контролю, а для обробки результатів натурних спостережень використовувались методи теорії ймовірностей. Для оцінки властивостей порід і деформаційних процесів у шаруватім масиві було застосовано методики пенетрометричних випробувань порід “in situ”, кернової оцінки стійкості за критерієм Діра (RQD), інтроскопії масиву відеокамерою інфрачервоного спектра. Випробування вузлів і елементів кріплення в лабораторних і шахтних умовах проводили за індивідуальними методиками.

Основні наукові положення, що захищаються в дисертації.

1. Параметри управління напруженим станом арочного кріплення при різних варіантах його навантаження визначаються величиною відхилення максимальних напружень від їх середніх значень, яка прямо пропорційна куту залягання вміщуючих порід та обернено пропорційна розміру ділянки активного навантаження рами, причому напруження, що діють поблизу нормалі до нашарування порід, виявляються в 1,5-2,3 рази більшими, ніж у двох інших небезпечних перерізах.

2. Середні кутові розміри ділянки активного навантаження арочного кріплення зменшуються із збільшенням ступеню метаморфізму порід за гіперболічною залежністю та складають для умов середнього метаморфізму – 0,66±0,16 рад., а для високого метаморфізму – 0,32±0,1 рад., причому в обох випадках імовірність всебічного активного навантаження конструкції складає менше 0,1, що дозволяє обґрунтувати розрахункову схему арочного кріплення в умовах різного метаморфізму.

3. Нерівномірність розподілу вигинних моментів, що діють у вузлах піддатливості кріплення, зі збільшенням кута залягання порід на кожні 15 градусів подвоюється, причому зусилля проковзування елементів у більш напруженому вузлі виявляються більшими на 18-20%, що дозволяє розробити способи оптимізації піддатливого режиму роботи рамного кріплення при асиметричному навантаженні.

4. Головний вектор зовнішнього навантаження кріплення підготовчої виробки в умовах безціликової розробки пологих вугільних пластів відхиляється від вертикалі на кут до 10 градусів, а точка його прикладення зміщується по периметру рами в бік виробленого простору на кут 20-25 градусів, що дозволяє обгрунтувати параметри ділянки активного навантаження і способи підсилення кріплення в зоні шкідливого впливу очисних робіт.

5. Оптимізація проектних помилок першого (a) та другого (b) роду, що забезпечує однаковий ризик виробника і споживача гірничопрохідницьких робіт, визначається співвідношенням зайвої матеріаломісткості кріплення до матеріальних втрат за рахунок відказів конструкції та переривання функцій виробок і досягається при , що було покладено в основу способу підтримання гірничих виробок з резервуванням надійності кріплення.

Наукова новизна одержаних результатів: –

розроблена нова класифікація експлуатаційних станів сталевого рамного кріплення, в якій на основі запропонованої кількісної оцінки критеріїв працездатності виділені, окрім нормативного й аварійного, уточнені категорії недовантаженого та деформованого станів, що дозволило науково обґрунтувати нову методику обстежень кріплення, виявити помилки проектування першого і другого роду; –

вперше встановлено зв’язок експлуатаційного стану кріплення з класами (ступінню) метаморфізму вугілля й вміщуючих порід; виявлено, що в умовах високого метаморфізму в недовантаженому стані знаходиться 46% кріплення, а 15% – в деформованому або аварійному стані, в умовах середнього метаморфізму – відповідно 8 і 27%, що потребує диференційного підходу до проектування кріплення в різних регіонах Донецького басейну;–

доказано, що розмір ділянки активного навантаження кріплення змінюється в залежності від ступеня метаморфізму вміщуючих порід та інтенсивності їх максимальних зміщень,а функція розподілу зміщень має щільність імовірності, яка підпорядкована логнормальному закону, що дає можливість перейти до науково обґрунтованих розрахункових схем, які відображають реальні умови взаємодіі кріплення з масивом порід;–

встановлена залежність напруженого стану кріплення від розміру ділянки активного навантаження і кута залягання порід, оцінені зусилля , що діють у перерізі профілю вздовж периметра кріплення та у вузлах піддатливості, виділені небезпечні та недовантажені ділянки при різних варіантах навантаження конструкції, що дозволило обґрунтувати параметри способів управління зусиллями в кріпленні;–

вперше дана кількісна оцінка ефективності застосування матеріалу в рамному кріпленні, що виражена показником оптимальності конструкції Копт (0< Копт<1), який дорівнює інтегралу від відношення діючих та максимальних напружень по довжині рами; встановлено, що в типових конструкціях показник оптимальності не перебільшує значення 0,4, причому вирівнювання максимальних зусиль у несучих елементах рами може забезпечити збільшення Копт до величини 0,6-0,7, що окреслює можливості способів зниження матеріаломісткості кріплення;–

розроблена нова концепція управління несучою спроможністю кріплення в залежності від проявів гірського тиску по довжині виробки, котра передбачає створення резерву міцності кріплення, контроль його працездатності та полегшення конструкції на ділянках з недовантаженим станом, що мінімізує ризик втрати стійкості й переривання функцій виробки при використанні кріплення регульованого опору.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректністю поставлених задач, достатнім об’ємом натурних спостережень за станом кріплення й породного масиву (обстежено 125 гірничих виробок, 36 м кернового матеріалу, проведено 651 випробування порід пенетрометричним методом); використанням апробованих методів теорії ймовірностей, механіки стержневих систем, скінчених елементів, розрахунку інженерних споруд на пружній основі; задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень (різниця не перебільшує 20%); достатньою апробацією наукових положень і висновків роботи; успішним упровадженням результатів у практику проектування й будівництва гірничих виробок.

Наукове значення роботи полягає в розкритті особливостей взаємодії сталевого рамного кріплення з породним масивом в умовах різного метаморфізму, встановленні закомірностей формування навантаження й напруженого стану конструкції, а також у науковому обґрунтуванні методів і засобів управління запасом міцності й деформаційної спроможності вузлів і елементів кріплення відповідно до прояву гірського тиску по контуру і вздовж виробки.

Практичне значення отриманих результатів:–

запропоновані плани послідовного й поодинокого контролю стану рамного кріплення, які передбачають вибір представницької ділянки обстеження й необхідну кількість контрольних рам, що забезпечує мінімальну трудомісткість шахтних обстежень при їх заданій надійності;–

обґрунтована нова розрахункова схема арочного кріплення, згідно з якою розмір ділянки активного навантаження виражений за допомогою кута контакту, бісектриса якого співпадає з нормаллю до нашарування порід, а розподіл активного навантаження підпорядкований параболічному закону, причому в боках виробки враховується реактивний опір порід;–

сконструйований стенд для випробувань вузлів піддатливості кріплення, який дозволяє з урахуванням впливу вигинних моментів, що діють на ділянках піддатливих з’єднань, оцінити працездатність вузлів та деформаційно-силові характеристики кріплення;–

запропонований спосіб регулювання зусиль у вузлах піддатливості арочного кріплення, що забезпечує вирівнювання вигинних моментів на ділянках вузлів, шляхом їх розміщення в площині паралельній заляганню вміщуючих порід і орієнтації центра верхняка по нормалі до напластування, що дозволило оптимізувати піддатливий режим роботи кріплення в умовах асиметричного навантаження;–

розроблений спосіб управління напруженим станом несучих елементів кріплення , який заснований на перерозподілі матеріалу й створенні попередніх напружень, що забезпечує відповідно до характеру розподілу навантаження рівний запас міцності елементів кріплення й дозволяє знизити матеріаломісткість конструкції на 15-35% при збереженні її несучої спроможності;–

запропонований спосіб створення попереднього напруження верхняка трапецієвидного кріплення при розпорі рами, який включає формування розвантажуючих консолей, на кінці яких передають зусилля силового розсування стояків кріплення, що знижує результуючий вигинний момент у центрі прогону верхняка в 1,9-2 рази; –

розроблені нові конструкції сталевих міжрамних огорож, відзначними рисами яких є: об’єднання затяжок спільно з рамами кріплення в єдину просторову систему; забезпечення роботи міжрамних огорож як гнучких елементів (вант) з можливістю перерозподілу навантаження з прогонної частини на рами; комбінування елементів з різною несучою спроможністю у відповідності до розподілу навантаження по периметру кріплення;

– розроблений новий спосіб резервування надійності кріплення, згідно з яким виробку спочатку кріплять з запасом міцності, що перебільшує рівень очікуваних навантажень на величину несучої спроможності резервного кріплення, а після реалізації зміщень породного контуру в випадку недовантаженого стану конструкції обнижують її запас міцності шляхом поетапного демонтажу резервного кріплення, що оптимізує матеріаломісткість конструкції по довжині виробки.

Реалізація результатів і рекомендацій роботи. Розроблені конструкції сталевого рамного кріплення спрямованої піддатливості, арочного піддатливого кріплення із спецпрофілів різної ваги, розпірного трапецієвидного кріплення, а також сталеві тонколистові й комбіновані міжрамні огорожі було передано в виробничі організації і впроваджено в проектній практиці інститутом “Луганськдіпрошахт”. Очікуваний економічний ефект складає 45-50 тис. грн. на кожні 100 м виробки, при зниженні кошторисної трудомісткості на 1,4-1,5 тис. людино-годин.

Спосіб управління несучою спроможністю кріплення, яке має завищений запас міцності, був реалізований при підтриманні розминки в польовому відкатному штреку ш. ім. 50-річчя СРСР ДХК “Краснодонвугілля”, що дозволило вивільнити 31 т металопрокату без погіршення стану виробки.

Нові конструкції сталевих тонколистових затяжок та паспортів кріплення з комбінованими міжрамними огорожами використані в складних гірничо-геологічних умовах підтримання підготовчих виробок на ш. “Полтавська” ВО “Орджонікідзевугілля”, що дозволило забезпечити безремонтну експлуатацію штреків, виключити випадки травматизму робітників від обрушень кусків породи.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно сформульовані мета й задачі досліджень, ідея роботи, наукові положення, висновки й рекомендації, проведено аналіз джерел інформації, вибір і розробку методик теоретичних і експериментальних досліджень, аналіз та статистичну обробку результатів експериментів. Автор брав безпосередню участь у проведенні аналітичних, шахтних і лабораторних досліджень, розробці й впровадженні нових конструкцій та елементів сталевого рамного кріплення.

Апробація роботи. Основні наукові положення й практичні результати дисертаційної роботи були обговорені й схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях: “Школа підземної експлуатації” (м. Шчирк, Польща, 2000-2002 рр.), “Тиждень гірника” (м. Москва, Росія, 2003 р.), “Сучасні геомеханічні методи в гірничій промисловості, підземнім і тунельнім будівництві” (м. Несебр, Болгарія, 2003 р.), “Форум гірників” (м. Дніпропетровськ, 2002, 2003 рр.), “XXI сторіччя – проблеми і перспективи освоєння родовищ корисних копалин” (м. Дніпропетровськ, 1998 р.), “Проблеми і перспективи освоєння підземного простору великих міст” (м. Симферополь, 1998 р.), “Гірнича промисловість і наука на початку третього тисячоліття” (м. Алчевськ, 1999 р.), “Завдання учбових, наукових, проектних і шахтобудівельних організацій у період реструктуризації вугільної промисловості” (м. Алушта, 2000 р.), “ Вугілля - Mining Technologies” (м. Луганськ, 2003 р.), а також на наукових семінарах кафедри “Будівельні геотехнології та гірничі споруди” ДГМІ (м. Алчевськ, 1996-2003 рр.) і технічних радах у ВО “Орджонікідзевугілля” (м. Єнакієве, 1998 р.) та в інституті “Луганськдіпрошахт (м. Луганськ, 2003 р.).

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 43 друковані роботи, у тому числі 2 монографії, 1 навчальний посібник та 8 патентів на винаходи. Кількість публікацій у фахових виданнях складає 23.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, висновка та 6 додатків; викладена на 384 сторінках машинописного тексту; містить 100 рисунків, 35 таблиць та список використаних джерел із 243 найменувань.

Автор висловлює щиру подяку доктору технічних наук, професорові Г.Г.Литвинському (ДГМІ) за науково-консультативну допомогу в процесі виконання роботи, а також доктору технічних наук, професорові Т. Майхерчику (Краківська гірничо-металургійна академія) за сприяння організації наукового експерименту на шахті “Пнювек” (Польща).

Основний зміст роботи

У першому розділі проведений аналіз досвіду проектування, експлуатації та конструктивного удосконалення сталевого рамного кріплення гірничих виробок. Ці питання постійно знаходяться в центрі уваги вітчизняної та зарубіжної гірничої науки, оскільки значною мірою визначають надійність та економічність функціонування гірничих підприємств.

Суттєвий внесок у дослідження працездатності та удосконалення конструкцій сталевого рамного кріплення внесли М.М. Гелескул, Л.А. Джапарідзе, В.П.Друцко, Ю.З. Заславський, М.П. Зборщик, Ф.С. Зігель, В.М. Каретников, В.Я.Кириченко, Є.С. Кисельов, В.Б. Клейменов, В.М. Комісаров, К.В. Кошелєв, С.М. Липкович, Г.Г. Литвинський, О.П. Максимов, Й. Перек, Г.С. Піньковський, А.М. Роєнко, В.В. Смирняков, Б.М. Усаченко, Я. Фармер, О.М. Шашенко, Ф.Шпрут, Ю.М. Халимендик, М. Худек, О. Якобі та інші.

Аналіз існуючих методів проектування кріплення, зокрема на основі прототипів, по аналітико-експериментальних залежностях, двохстадійного та системного проектування, указує на особливу складність та суперечливість прогнозування навантаження, вибору раціональних параметрів конструкції. Як правило, проектувальникам не вдається запобігти високого економічного ризику прийняття рішень, про що свідчать великі об’єми перекріплень (10-15% від протяжності виробок) та численні випадки недовантаженого стану кріплення.

Складність аналітичного опису взаємодії кріплення з масивом порід спричинила виникнення різних розрахункових схем, що допускають високий ступінь ідеалізації. Найбільше поширення отримали максимально спрощені схеми всебічно розподіленого або зосередженого навантаження, які часто приводять до значних помилок проектування, нераціонального використання матеріалу кріплення. Перспективними слід вважати розрахункові схеми, що оперують активними й реактивними навантаженнями та реалізуються за допомогою чисельних методів на ЕОМ. Напрямки їх оптимізації пов’язані з урахуванням нерівномірності та асиметрії навантаження, впливу параметрів кріплення й пасивного опору порід на характер розподілу внутрішніх зусиль.

Експлуатація виробок в складних гірничо-геологічних умовах виявила ряд недоліків типових конструкцій кріплення. Одним з них є недостатня ефективність піддатливого режиму роботи, коли значні деформації елементів реалізуються ще до вичерпання величини піддатливості. Причиною такого стану є неспівпадання напрямків переважних зміщень порід і піддатливості рами, що спричиняє підвищені вигинні моменти на ділянках з’єднувальних вузлів. Вплив нерівномірних вигинних моментів на піддатливу роботу кріплення потребує докладних досліджень, результати яких повинні бути враховані при удосконаленні кріплення.

Звертає увагу велика різниця між запасом міцності окремих елементів кріплення постійного профілю. Нерівномірність зміщень порід, відсутність контактної взаємодії масиву по всій довжині периметра кріплення приводять до суттєвого відхилення максимальних напружень на окремих ділянках від їх середнього рівня. При цьому несучу спроможність конструкції визначає найбільш напружена ділянка обмеженої довжини. Управління несучою спроможністю кріплення та обґрунтування його ефективних параметрів стає можливим при врахуванні напруженого стану кріплення, відповідно до умов його навантаження в капітальних та підготовчих виробках.

Серед ефективних напрямків удосконалення конструкцій сталевого рамного кріплення можна виділити розвиток його адаптивних властивостей, регулювання діючих зусиль в елементах кріплення, забезпечення його попереднього розпору й просторової роботи, що передбачає збільшення несучої спроможності конструкції без істотної зміни її ваги. Слід відзначити складність та недостатню кількість технічних засобів, які б відповідали реалізації цих напрямків.

Як свідчить проведений аналіз досвіду кріплення та підтримання гірничих виробок, подальший прогрес сталевого рамного кріплення як технічної системи пов’язано з розробкою методів та засобів управління напруженим станом конструкції у відповідності до розподілу навантажень по контуру і вздовж виробки, що дозволить підвищити стійкість гірничих виробок, забезпечить суттєве скорочення матеріальних і трудових витрат на їх кріплення.

У другому розділі наведені методики та результати досліджень закономірностей навантаження й особливостей стану сталевого рамного кріплення в умовах різного метаморфізму порід.

Методика шахтних спостережень базувалась на кількісній оцінці стану кріплення (табл.1) й статистичних планах послідовного контролю, які включали поступове накопичення інформації та ступеневу її оцінку для вибору рішень з заданим рівнем надійності.

Таблиця 1

Критерії оцінки стану арочного кріплення

№ | Критерії працездатності | Стан кріплення

Недован-

тажений | Нормативний | Деформо-

ваний | Аварійний

1 | Зміщення елементів кріплення у вузлах піддатливості, мм | <50 | 50-300 | 300-500 | >500

2 | Прогин верхняка, мм | <50 | 50-200 | 200-400 | >400

3 | Прогин стояків, мм | <50 | 50-100 | 100-200 | >200

4 | Кількість зламаних затяжок, %:

- у покрівлі;

- у боках |

0-5

0-5 |

5-10

5-15 |

10-20

15-30 |

>20

>30

5 | Розрив скоб вузлів піддатливості, % | 0 | 0 | <10 | >10

6 | Відношення допустимого та діючого вигинних моментів у найбільш напружених перерізах рами | >1,3 | 1-1,3 | <1 (пластична стадія роботи)

Для створення бази даних шахтних спостережень була запропонована анкета, яка містила мінімально необхідну інформацію про гірничу виробку, гірничотехнічні умови її експлуатації, властивості вміщуючих порід, а також дані про становище вузлів та несучих елементів на різних ділянках периметра у відповідності до критеріїв табл. 1. Відмітними рисами анкети були кількісні показники факторів, урахування їх змін по контуру виробки, зручність комп’ютерної обробки даних.

Розроблений план послідовного контролю регламентував вибір представницьких ділянок виробок та необхідну кількість рам для обстежень із забезпеченням величини помилок першого й другого роду: Мінімальне число рам на ділянці обстеження склало – 15.

З використанням розробленої методики обстежено 66 гірничих виробок в умовах високого метаморфізму (ВМ) і пологого залягання гірських порід (шахти ДХК “Ровенькиантрацит”), 44 виробки в умовах середнього метаморфізму (СМ) і пологого залягання (шахти ДХК “Луганськвугілля” та “Краснодонвугілля”), 15 виробок в умовах середнього метаморфізму, похилого й крутого залягання порід (шахти ВО “Орджонікідзевугілля”). Оцінку стану кріплення за результатами обстежень наведено в табл. 2.

Таблиця 2

Стан арочного кріплення за результатами шахтних обстежень

Гірничо-геологічні умови підтримання | Стан кріплення

(% від кількості обстежених рам) | Надійність кріплення | Помилки

проектування

недовантажений | нормативний | деформований | аварійний

ВМ при пологому заляганні порід | 46 | 39 | 10 | 5 | 0,85 | 0,46 | 0,15

СМ при пологому заляганні порід | 8 | 65 | 12 | 15 | 0,73 | 0,08 | 0,27

СМ при похилому заляганні порід | 4 | 50 | 16 | 30 | 0,54 | 0,04 | 0,46

Важливу роль для зниження витрат на кріплення та підтримання гірничих виробок відіграє величина оптимального співвідношення помилок і . Рівний ризик виробника й споживача гірничопрохідницьких робіт може забезпечити тільки рівність “вартостей” (економічних наслідків) реалізації проектних помилок, що прийнято за критерій оптимальності: . При цьому:

, (1)

де – величина помилки першого роду; Сп –вартість проектного кріплення; Со – вартість оптимального кріплення, в якому .

(2)

де – величина помилки другого роду; Кп – коефіцієнт втрати вартості кріплення; Кдм – коефіцієнт вартості монтажно-демонтажних робіт при відказах кріплення; Кф – коефіцієнт переривання функцій виробки (вартість “простою”).

Оптимальне співвідношення помилок:

. (3)

Величини коефіцієнтів приймали виходячи з досвіду й кошторисів ремонтних робіт. Встановлено, що “вартість” помилки проектування в випадку відказу () виявляється в середньому в 2,2-2,6 рази вища, ніж у випадку надійної роботи кріплення з завищеною несучою спроможністю (), що говорить про доцільність у складних, важкопрогнозованих умовах підтримання виробок навмисно збільшувати помилку першого роду для створення резерву надійності кріплення з подальшим корегуванням його несучої спроможності (див. розділ 6).

Виходячи з економічного обґрунтування помилок першого і другого роду, були розроблені граничні умови (величини розпізнавальних порогів) для прогнозування стану кріплення залежно від вхідних гірничотехнічних факторів. Ідея методики побудови прогностичної таблиці базувалась на порівнянні ймовірностей розподілу впливаючих на стан кріплення факторів за допомогою неоднорідного статистичного аналізу. На цій основі була побудована прогностична таблиця стану сталевого рамного кріплення в умовах антрацитових шахт, у якій вперше виділені альтернативи, що дозволяють прогнозувати недовантажений стан кріплення. Результати прогнозу свідчать, що в умовах високого метаморфізму ймовірна кількість виробок з відказами кріплення складає поза впливом очисних робіт – 7% (що в 3 рази менше, ніж в умовах середнього метаморфізму), а в зоні впливу лави – 33% ( менше у 1,9 рази). Це підтверджує висновок про необхідність змін існуючих підходів проектування кріплення для різних регіонів Донецького басейну.

Заслуговують уваги дані обстежень кріплення за допомогою вигиноміра ДГМІ, які дозволяють обчислити вигинні моменти по зміненню радіуса кривизни циркульної частини арки. Було обстежено 115 рам в 23 виробках поза зоною впливу очисних робіт. На рис. 1 подані епюри вигинних моментів для умов середнього метаморфізму, які свідчать про суттєву нерівномірність розподілу зусиль по периметру кріплення. Так, в умовах горизонтального (пологого) залягання порід максимальний момент спостерігається в склепінні арки (замірювальний пункт 3), а його величина майже в два рази перебільшує значення в перерізах 2 і 4. При похилому заляганні порід (кут 25-35 градусів) максимальні значення вигинних моментів формуються поблизу перерізу 2, причому з боку підняття порід (замірювальні пункти 3, 4, 5) діючі зусилля майже в три рази менші максимальних.

Аналіз розподілу вигинних моментів в умовах різного метаморфізму показує, що нормаль до напластування порід задає місце розташування максимальних зусиль, яке є центром ділянки активного навантаження рами.

Оскільки лише обмежена ділянка рами, на якій діють максимальні вигинні моменти, зумовлює несучу спроможність кріплення в цілому, то доцільно провести аналіз ефективності використання матеріаломісткості кріплення постійного профілю за допомогою інтегрального показника оптимальності конструкції:

(4)

де – напруження, що діє в і-му перерізі рами, – максимальне напруження, що діє в найбільш навантаженому перерізі кріплення. Чим ближче K0 до 1, тим ефективніше використовується матеріаломісткість кріплення.

Співвідношення площ (див. праву частину рис. 1), що обмежені ламаною лінією розподілу вигинних моментів вздовж периметра арки і прямокутником, висоту якого задає величина максимального моменту, дає чисельне значення показника Ко. За даними обстежень Ко близький до 0,4; діючі зусилля виявляються в середньому в 2,5 рази нижчі за максимальні. Довжина ділянки, на якій вигинні моменти значно (в 2-2,5 рази) перебільшують значення в інших небезпечних перерізах, складає біля 2 м. Вирівнювання максимальних зусиль по периметру кріплення здатно підвищити величину показника оптимальності конструкції до 0,6-0,7 і знизити в 1,5-1,8 рази матеріаломісткість кріплення при збереженні заданої несучої спроможності конструкції.

У відповідності до виявлених характерних особливостей взаємодії кріплення з оточуючими породами було розроблено розрахункову схему (рис. 2), згідно з якою довжину ділянки активного навантаження виражено за допомогою кута контакту , бісектриса якого співпадає з нормаллю до нашарування порід і задається кутом , розподіл активного навантаження підпорядковано параболічному закону, а в боках виробки враховується реактивний опір порід.

Запропоновано функціональну залежність розміру половини ділянки активного навантаження кріплення від величини його зміщення (U) по нормалі до нашарування порід:

(5)

де R – радіус верхняка кріплення.

Для визначення кута було використано статистичні результати проведених шахтних обстежень арочного кріплення. Отримані ймовірносні функції розподілу зміщень підпорядковуються логнормальному закону:

, (6)

де U0 – показник, пов’язаний з математичним очікуванням зміщень U; S – середньоквадратичне відхилення випадкової величини. Виходячи з даних обстежень в умовах високого метаморфізму, ці показники склали: ; для середнього – Для визначення параметрів в умовах слабкого метаморфізму були використані дані проф. Б.М. Усаченко, на основі яких отримані прогнозні значення зміщень Uо=320.

Для визначення розмірів кута була використана статистична програма @RISK, яка дає можливість вибору великої кількості випадкових величин із розподілу ймовірносної функції (формула (6)) таким чином, що повністю зберігається характер використаного розподілу. Результати обчислень розподілення величини кута наведено на рис. 3,а.

Для умов високого метаморфізму середнє, найбільш імовірне значення , складає 0,16 рад. при стандарті 0,05 рад., для середнього – відповідно 0,33 рад. і 0,08 рад., а для слабкого – 0,59 рад., що обумовлено різною “жорсткістю” взаємодії масиву з елементами кріплення.

На рис. 3,б показана залежність отриманих розмірів кута від класу метаморфізму вугілля, яка дозволяє зробити важливий висновок про те, що із збільшенням ступеню (класу) метаморфізму розмір ділянки активного навантаження зменшується за спадаючою гіперболічною кривою, причому її довжина може скоротитися в 3,5-4 рази. Як показав аналіз кумулятивного розподілу величини , імовірність всебічного навантаження циркульної частини арки складає в умовах високого та середнього метаморфізму менше 0,1.

У третьому розділі досліджені особливості напруженого стану та піддатливого режиму роботи кріплення в умовах нерівномірного навантаження рами, розроблені методи і засоби управління зусиллями в конструкції кріплення.

Дослідження напруженого стану кріплення відповідно до розробленої розрахункової схеми (див. рис. 2) проводили методом скінчених елементів з використанням програми COSMOS/M. Моделювали сталеве арочне кріплення широкістю 5,5 м та висотою 3,5 м із спецпрофілю СВП-27. Висота зони реактивного опору h дорівнювала 1,8 м, а його реакція складала 40 МПа. Досліджувались варіанти, коли кут приймав значення 90°, 76° та 62°, а змінювався від 1° до 120° (з інтервалом 20°). Графіки розподілу напружень по довжині периметра кріплення для найбільш характерних випадків наведені на рис. 4.

Аналіз залежностей свідчить, що із збільшенням розмірів ділянки активного навантаження від 1° до 120° величина максимальних напружень знижується в 2,5 рази. В умовах асиметричного навантаження арочного кріплення максимальні напруження, що виникають поблизу нормалі до напластування порід, виявляються в 1,5-1,7 рази більшими, ніж в інших небезпечних перерізах, а довжина недовантаженої ділянки з боку підняття порід перебільшує 40% периметра арки.

Приведення у відповідність діючих і допустимих напружень вздовж арки потребує відмовитися від принципу використання елементів однакової міцності по периметру конструкції.

Встановлено, що напруження на фланцах спецпрофілю СВП виявляються в середньому на 10-20% нижче, ніж в донній частині профілю, і при оптимізації його конструкції слід підсилювати донну частину.

Розподіл напружень свідчить, що при зменшенні ділянки активного навантаження збільшуються напруження на відтінках піддатливих з’єднань, причому їх величина при зосередженому навантаженні може зрости в 1,4-1,5 рази. Для поширених умов середнього метаморфізму (див. рис. 4,б) вигинний момент, що дорівнює (де W – момент опору перерізу), складає на ділянках вузлів (відтинки 2,8±0,15 м та 7,9±0,15 м) при симетричному навантаженні 18-19 кНм, а при збільшенні кута залягання порід на кожні 15 градусів нерівномірність розподілу вигінних моментів подвоюється, причому різниця між їх величиною складає 10 кНм і більше.

Для дослідження впливу вигинного моменту на піддатливу роботу вузлів було сконструйовано випробувальний стенд (патент України 42495 А), в якому поздовжне навантаження на прямолінійні елементи кріплення передавалося з ексцентриситетом h, що створював момент на ділянках піддатливих вузлів. Середні значення зусиль, отримані при стендових випробуваннях профілів СВП-22 і СВП-27 наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Середні зусилля проковзування (Рс) елементів кріплення в типових вузлах піддатливості

Показники | Ексцентриситет, мм

h=0 | h=50 | h=100

Рс, кН (для СВП-22) | 64 | 67 | 79

Стандарт, S | 9,9 | 2,1 | 3,1

Коефіцієнт варіації. , % | 1,5 | 3,2 | 4

Рс, кН (для СВП-27) | 122 | 134 | 151

Стандарт, S | 7,4 | 5,1 | 6,4

Коефіцієнт варіації. , % | 6,1 | 3,8 | 4,2

Аналіз табличних даних свідчить про закономірне зростання зусилля проковзування при збільшенні вигинного моменту М, причому наявність ексцентриситету h=0,1 м, що викликає (для СВП-22) та (для СВП-27), призвела до збільшення опору піддатливості приблизно на 20%, що пояснює механізм нерівномірних зміщень елементів кріплення при асиметричному навантаженні та дає можливість забезпечити відповідність між граничним станом профілю й параметрами піддатливості кріплення.

Отримані результати теоретичних і експериментальних досліджень забезпечили розробку нових конструкцій кріплення та способів управління його напруженим станом.

Для створення заданого режиму піддатливості кріплення запропонований метод керування зусиллями в вузлах піддатливості, що міститься в вирівнюванні вигинних моментів на ділянках вузлів (патент України 57826). Для цього розроблені конструкція й параметри трьохсегментного арочного кріплення спрямованої піддатливості (рис. 5), у якому вузли 4 розміщено в площині 6, паралельній нашаруванню порід 5, центр верхняка 3 зорієнтовано по нормалі до залягання порід, а стояки 1 і 2 виконано різної довжини, яку визначають за формулою:

, (7)

де – довжина стояків відповідно з боку підняття й падіння порід; L0 – довжина стояків при горизонтальному заляганні порід, R – радіус кривизни склепіння; – кут залягання порід. Величина максимально допустимого відхилення центра верхняка від нормалі до напластування порід, яка суттєво не змінює піддатливу роботу вузлів, склала кут 10°.

Для зниження матеріаломісткості рамного кріплення розроблено спосіб управління зусиллями в його несучих елементах, який базується на перерозподілі матеріалу й створенні попередніх напружень, що забезпечують в відповідності до характеру розподілу навантажень рівний запас міцності кожного елемента кріплення. Для реалізації способу запропоновані конструктивні рішення, які використовують профілі різної ваги, елементи підсилення найбільш напружених ділянок периметру, прилади для розпору рами.

Для сполучення профілів різної ваги запропоновано вузол (рис. 6), у якому на більш важкому профілі верхняка 2 за допомогою зварювання закріплено вкладиш 5 (відтінок спецпрофілю меншого розміру), у якому ковзає полегшений стояк 3, що співпадає за розміром зі вкладишем 5 (патент України 56802А). Як свідчать результати теоретичних досліджень (див. рис. 4), маса подовженого стояка з боку підняття порід може бути знижена в 1,5-1,7 рази, що забезпечить на кожній рамі економію до 60 кг сталі.

Одним з найбільш перспективних способів регулювання зусиль у рамному кріпленні є використання попереднього напруження його елементів. Розроблений пристрій (рис. 7) дозволяє створити в склепінні кріплення вигинний момент, протилежний зусиллям від зовнішнього навантаження. Попереднє напруження арочного кріплення створюють шляхом передавання силового тиску від фігурних планок 2 на кінці верхняка при розпорі гвинтових пристроїв 4 між рамою та породним контуром виробки. При цьому формують розвантажний момент, який підвищує несучу спроможність кріплення в 1,3-1,5 рази.

Аналіз конструкцій трапецієвидного кріплення із прямолінійних елементів свідчить, що несуча спроможність верхняка, який працює на вигин, не відповідає стоякам, що сприймають здебільшого зусилля стискання. Для вирівнювання запасу їх міцності розроблено спосіб попереднього напруження верхняка при силовому розпорі рами (патент України 29134А). Згідно зі способом (рис. 8) верхняк 2 збільшують на довжину консолей 1, на кінцях яких встановлюють опори 3, товщиною більшою, ніж у затяжок 4. Розпір стояків рами 5 створюють за допомогою гідравлічних домкратів 7. При цьому зусилля розпору передається через опори 3 на кінці консолей 1, що створює момент попереднього напруження верхняка (Мп.н.). Це підвищує несучу спроможність конструкції майже в 2 рази і забезпечує відповідність верхняка стоякам у піддатливому режимі роботи.

Таким чином, керування напруженим станом кріплення дозволяє без суттєвого збільшення його маси, за рахунок раціонального перерозподілу матеріалу й попереднього напруження конструкції привести у відповідність один до одного несучу спроможність елементів рами.

Розроблені конструкції впроваджено в проектну практику інститутом “Луганськдіпрошахт”. Економічний ефект склав 45-50 тис. грн. на кожних 100 м виробки, причому трудомісткість гірничопрохідницьких робіт зменшилась на 1,4-1,5 тис. людино-годин.

Четвертий розділ присвячено розробці й дослідженню нових конструкцій міжрамних огорож, які повинні забезпечити функції ефективного сприймання навантаження від тиску порід; його перерозподілу з прогонної частини на рами кріплення; об’єднання рам і огорож в єдину просторову систему.

Розроблені конструкції (рис. 9) сталевих тонколистових затяжок (патент України 34539А) та стержневих комбінованих огорож (патент України 63638А).

Вони дозволяють забезпечити означені функції за рахунок:

–

–

–

–

Розрахунок стержневих міжрамних огорож як вантових конструкцій, що працюють на пружній основі, наведено за схемою проф. І.Г. Коскова (рис. 10,а), причому за пружну основу взято шар забутівки, а за навантаження – зусилля опору Р в рамах від проявів гірського тиску. Спрощена епюра навантаження має вигляд трикутника, її максимальна ордината Р0 знаходиться над рамою кріплення, а ширина основи складає .

Обчислення, проведені з використанням аналітичного апарату розрахунку конструкцій на пружній основі, довели, що на збільшення зусиль розтягу Н суттєвий вплив справляє підвищення їх жорсткості та зниження модуля деформації забутівки (рис. 10, б). Так, перехід від діаметра стержнів з 6 до 10 мм підвищив