Аналитика

Таблица 1. Этапы применения штрековых крепей в разичных комбинациях

ООО Западно-Донбасский научно-производственный центр «Геомеханика» презентует свои инновационные разработки в области крепления горных выработок. Главным направлением является научное обоснование, создание и промышленное производство новых высокоресурсных конструкций металлокрепей и замковых соединений, обеспечивающих эффективное и безопасное поддержание горных выработок в широком диапазоне горно-геологических условий разработки угольных и рудных месторождений.

Мировой и отечественный опыт свидетельствует, что перспектива поддержания выработок на больших глубинах связана с комбинированными охранными системами, главным элементом является рамная металлокрепь (табл. 1).

Ретроспективный анализ применяемых средств крепления горных выработок на шахтах Украины выявил ряд тенденций, таких как увеличение площади сечения и плотности установки в выработках, использование более тяжёлых типоразмеров шахтного спецпрофиля, что объективно отражает недостаточность силовых характеристик применяемых типов арочных крепей, замковых соединений и конструкционного материала для их изготовления.

Если ранее средняя площадь сечения выемочных штреков не превышала  11,2 м2, то в настоящее время – 14-16 м2, а на глубоких шахтах – от 18 до 25 м2.

Второй тенденцией является использование более тяжёлых типоразмеров прокатных профилей для изготовления крепи. Так профили СВП-17, 19 вышли из употребления и в настоящее время  применяются только СВП-22, 27, 33, причём последние два — наиболее используемые. В совокупности это отразилось на негативном увеличении (более чем в два раза) удельной металлоемкости крепления горных выработок.

Научно значимой и перспективной следует считать концепцию, направленную на повышение несущей способности крепи посредством изменения формы сечения и типа рамной конструкции. Ее основой являются фундаментальные положения механики горных пород, что наиболее устойчивой формой сечения является эллипс (полуэллипс), большая ось которого ориентирована в направлении главных (наибольших) смещений пород.

При переходе на большие глубины разработки возникла потребность в новом подходе, основанном на приоритетности параметра работоспособности крепи (Q) и образующих его характеристик – рабочего сопротивления (Рр) и конструктивной податливости (∆), в силу единой физической сущности процесса, как работы, обеспечивающей формирование системы «крепь – массив»: Q =Pp×∆. При этом, параметр предельной несущей способности крепи (Pп) является определяющим фактором возможности повышения рабочего сопротивления (Pр) и работоспособности конструкции (Q).

Рис. 1. Влияние отпора крепи Р на смещение породного контура U, U/r0 и относительное изменение сечения выработки ∆s/s *Предельная зона блокировки смежных пород; **Эффективный интервал силового отпора крепи.

Нами обосновано положение, что для кардинального повышения устойчивости горных выработок необходимо комплексное решение задач, направленных на создание новых конструкций крепёжных рам, замковых соединений и прокатных профилей для изготовления крепей.

Исследования показывают, что геомеханика больших глубин – это взаимосвязь физики повышенных давлений и деформаций пород. Установлено, что степень влияния реально возможных значений отпора крепи (Р) на величину конечных смещений контура выработки (U) оказывается весьма существенной,   что является важным и технически реализуемым для практики (рис. 1).

Установлено, что смещения пород могут быть замедлены или прекращены упреждающим, соответствующим приросту напряжений, увеличением внутреннего граничного условия системы предельного равновесия, т.е. усилением крепи.

Из соображения допустимых смещений и эксплуатационно приемлемой податливости крепи её сопротивление необходимо выбирать в пределах 150-250 кН/м2 (тогда как в типовых арочных крепях 60-120 кН/м2), по мере увеличения глубины ведения горных работ (Н>1000 м), эффективный интервал Р может расширяться до 350-400 кН/м2, а более – является нецелесообразным.

В качестве основной крепи необходимо использовать рамные конструкции с повышенными значениями рабочего сопротивления (более 350 кН/компл.) и конструктивной податливости (до 700 мм для 3-х звенных и до 1000 мм и более – для многозвенных моделей).

Разработанные нами крепи нового технического уровня (НТУ) отличаются от типовых арочных крепей совокупностью следующих признаков:

— изменением формы сечения крепи и сопряжённости несущих элементов в зависимости от литолого-структурного строения и залегания массива;

-дифференцированной прочностью элементов конструкции крепи на отдельных участках периметра сечения, в зависимости от характера проявлений горного давления и преобладающей деформации пород;

— изменением соотношения радиусов изгиба и сопряжённости образующих сегментов, в зависимости от характера и режима нагружения рамы крепи.

К крепям первого технического уровня относятся: шатровые  —  КШПУ-М, циркульно-линейные — КЦЛ, полигональные — КПП, а к крепям второго технического уровня: овоидные 2-х радиусные – КМП-А3(А4)Р2, овоидные 3-х радиусные – КМП-А3(А5)Р3 и циркульно-линейно- овоидные – КЦЛО. Все указанные крепи запатентованы.

Основные характеристики и параметры крепей приведены в табл. 2.

Таблица 2 Основные характеристики и параметры крепей нового технического уровня

Для обеспечения качественного изготовления крепей НТУ разработан способ матричного прессования элементов крепи, реализованный в промышленном масштабе на заводе ЗДНПЦ «Геомеханика», который позволяет осуществлять производительную гибку образующих сегментов требуемой конфигурации и переменной кривизны, минимизировать длину концевых участков изгибаемых сегментов и молковку стенок спецпрофиля, обеспечивающих стабильность условий трения в узлах податливости.

Эффективность крепей нового технического уровня (НТУ)

Разработанные ЗДНПЦ «Геомеханика» металлокрепи адаптированы к усложнившимся горно-геологическим условиям: интенсивное горное давление, большое опускание кровли и пучение пород почвы, значительные зоны разрушения пород приконтурного массива, большие асимметричные нагрузки.

Анализ эффективности разработанных конструкций крепей произведен по основным параметрам: изгибающим моментам в сечении нагружающих усилий (Мimax), коэффициенту конструктивного качества

( );  предельной несущей способности (Рп) и рабочему сопротивлению (Рр); конструктивной податливости (Δ); работоспособности (Q=Рр×Δ).

Крепи нового технического уровня имеют улучшенную и более равномерно распределенную эпюру изгибающих моментов (рис. 2).

Снижение величин изгибающих моментов составляет: для крепей НТУ-1 в 1,3-1,7 раза; для крепей НТУ-2 – в 1,8-2,5 раза. Это достигается степенью приближения геометрических параметров сечения к эллипсной конфигурации: в типовых крепях отклонение от эллипсности составляет 31-35 %, в крепях НТУ-1 – не превышает 17%, а НТУ-2 – менее 8 %.

Рис. 2. Эпюра изгибающих моментов (Мi) а — крепь базисного уровня; б — крепь НТУ

Формоизменение рамной конструкции крепи позволяет без увеличения массы увеличить предельную несущую способность на 30-35% для крепей НТУ-1 и в 1,8-2 раза для НТУ-2.

Учет неравнопрочности элементов конструкции достигнут посредством изменения кривизны образующих сегментов и их сопряженности с вмещающим породным массивом. Установлено, что с уменьшением радиуса критического элемента по гиперболическому закону увеличивается несущая способность крепи (Рп), соответственно, пропорционально коэффициента запаса (Кз) – рабочее сопротивление Рр (рис. 3).

Рис. 3 Влияние кривизны изгиба сегмента на несущую способность крепи

Общая сравнительная характеристика эффективности разработанных крепей НТУ дана в табл.3.

Таблица 3 Сравнительная эффективность крепей

Оценку технической эффективности крепей НТУ в сопоставимых сечениях представим интегрированным показателем удельной работоспособности:

где Рр рабочее сопротивление крепи, кН;
Δ — конструктивная податливость крепи, мм;
m – вес рамы крепи, кг.

Сравнение эффективности применения крепей в сопоставимых сечениях на основе параметра удельной работоспособности дана в табл. 4.

Таблица 4

Анализ данных показывает, что наиболее эффективной является овоидная крепь. Устойчивость выработок с применением овоидных крепей повышается в 1,7-2,5 раза для малых сечений; в 2,6-4 раза для средних сечений и в 2,8-3,9 раза для больших сечений.

Крепи НТУ характеризуются следующими преимуществами: без изменения  веса достигнуто увеличение несущей способности (в 2-2,5 раза), что позволяет увеличить (без уменьшения запаса прочности) рабочее сопротивление рамы (в 1,5-2 раза) и уменьшить металлоёмкость крепления выработок.

Исходя из конкретных горно-геологических условий, характера деформирования пород, и проявления горного давления предлагается следующая схема выбора крепей НТУ для конкретных горно-геологических условий (табл. 5.).

Матрица выбора типа крепления горных выработок Таблица 5

 

Рис. 4 Фото крепей нового технического уровня

Всего нами разработано 12 различных конструкций крепей: шатровые (КШПУ-М), овоидные двухрадиусные (КМП-АЗ(А4)Р2, овоидные трехрадиусные (КМП-А3(А4,А5)Р3); циркульно-линейно-овоидные (КЦЛО); циркульно-линейные (КЦЛ), полигональные (КПП), выпукло-треугольные (КВТ, КВТ-2), кольцевые (КМК), для разрезных печей (АПКР), крепи сопряжений (КС) и другие (фото см. рис. 4).

При использовании крепей НТУ достигнуто снижение металлоёмкости выработок (на 15-30 %), повышение темпов их проведения (на 10-25 %), снижение объемов выдачи горной массы (на 0,5-1,5 м3/пог.м.), увеличение (в 2 и более раза) межремонтного срока поддержания выработок, снижение общих затрат на поддержание участковых выработок (от 30 до 70%). Крепи нового технического уровня обеспечивают устойчивость подготовительных выработок, что существенно снижает затраты на их поддержание, увеличивает производительность, безопасность и экономичность шахт.

Опыт широкомасштабного применения НТУ показывает, что технико-экономическая эффективность их применения возрастает с ростом глубины и усложнением горно-геологических условий эксплуатации.

Крепи ЗДНПЦ «Геомеханика» получили высокую оценку производственников. Нашими постоянными заказчиками и партнерами являются шахты Украины. Опытные партии крепей испытаны на шахтах Российской Федерации, Болгарии, Ирана, Эстонии.

ЗДНПЦ «Геомеханика» оказывает также специализированные услуги: оценку горно-геологических и геомеханических условий, выбор наиболее эффективных конструкций крепей НТУ, организацию подземного мониторинга, обоснование и расчет технико-экономической эффективности.

Уважаемые партнеры! Наши крепи уникальны и выгодно отличаются от известных по техническим, качественным и экономическим показателям. ЗДНПЦ «Геомеханика» обладает надлежащим научно-производственным потенциалом и удовлетворит требования взыскательных заказчиков.