4.6. Щитовые крепи
В щитовых крепях заложена идея использования веса крепи и обрушенных пород для ее передвижения. Принципиальная схема работы щита при разработке крутого мощного пласта показана на рис. 4.7.
Щитовая крепь 1 опирается на целики угля и, перекрывая призабойное пространство 2, препятствует проникновению обрушенных пород 3 в призабойное пространство и тем самым создает безопасные условия для работающих под щитом. Если осуществить выемку угля на глубину b, то, лишившись опоры, щит под действием составляющей Tп веса обрушенных пород Q2 и составляющей Тщ веса щита Q1, преодолевая силы трения обрушенных пород F и самого щита F1, опустится.
По способу защиты рабочего пространства щитовые передвижные крепи разделяются на оградительные и оградительно-поддерживающие. Оградительные щитовые крепи опираются на целики угля, а оградительно-поддерживающие распираются в боковые породы или боковые стенки забоя.
По углам падения пластов, на которых они применяются, различают щитовые крепи для крутых пластов (55—90°) и для наклонных пластов (35—55°). Щитовые крепи для крутых пластов разделяются на секционные, бессекционные, арочные, комбинированные передвижные щитовые перекрытия и агрегаты щитовой выемки.
В свою очередь, секционные щиты подразделяют на одинарные, сдвоенные (соединенные гибкой связью) и на спаренные (не связанные между собой щиты, работа которых зависит друг от друга), а бессекционные — на щиты с одинарным и двойным накатником. Щитовые крепи для наклонных пластов разделяются на самопередвигающиеся и щиты с принудительным перемещением.
Наибольшее распространение получили секционные щиты (рис. 4.8). Плоские секционные щиты состоят из четырех — шести секций длиной 6 м каждая, уложенных рядом по простиранию пласта и связанных между собой канатами. Размеры секций вкрест простирания принимают в зависимости от мощности пласта.
Рис. 4.7. Схема работы щита
Основой каждой секции является металлическая рама 1 из швеллеров, соединенных болтами. На раму укладывают в несколько рядов настил из бревен 2 (накатник), который скрепляют с металлической рамой с помощью стяжных брусьев 3, накладок, хомутов и болтов 4. Для предотвращения сползания бревен накатника и уменьшения трения щита о боковые породы со стороны кровли и почвы монтируют салазки 5.
Рис. 4.8. Секционный щит:
общий вид; б — разрез вкрест простирания пласта
Для упрочнения салазок промежуток между рамой и их вертикальной частью закладывают накатником, располагаемым вдоль секции. На раму же его укладывают поперек секции, т. е. по мощности пласта. Только один ряд накатника при общем числе рядов больше четырех укладывают вдоль секции. Этот ряд (обычно третий или четвертый снизу) выполняет функцию связующего ряда.
Число рядов накатника зависит от мощности- пласта. Установлено, что оно должно быть на единицу меньше ширины секции. Так, при ширине секции 7 м необходимо шесть рядов накатника, при ширине секции 9 м — восемь рядов и т. д.
При размерах секций вкрест простирания более 10 м на щит воздействует большое давление. Увеличение числа рядов накатника для противодействия давлению делает щит недостаточно маневренным и трудным в управлении, особенно при углах падения пласта менее 75°. Поэтому на пластах мощностью свыше 10 м применяют сдвоенные щиты.
Сдвоенные щиты составляют из одинарных, расположенных параллельно друг другу по мощности пласта и связанных металлическим канатом.
При разработке крутых пластов мощностью от 2 до 7 м применяют также бессекционные щиты с одинарным или двойным накатником.
Бессекционный щит с одинарным накатником представляет собой сплошной ряд окантованных бревен толщиной 22—24 см и высотой 24—30 см, уложенных вплотную друг к другу но мощности пласта. Бревна скрепляют в единую конструкцию двумя металлическими поясами из швеллерных балок, проложенных вдоль щита (рис. 4.9).
Размеры накатника выбирают в зависимости от мощности пласта. Эластичность щита по простиранию достигается за счет изгиба поясов и перемещения накатника под действием налегающих пород, обрушающихся вслед за подвиганием щита. Для предотвращения просыпания породы под щит и для предохранения торцов накатника от разрушения по всему периметру щита прикрепляют металлические фартуки из листовой стали толщиной 3—5-мм.
Бессекционный щит с двойным накатником представляет собой два ряда бревен, скрепленных между собой двумя — четырьмя металлическими поясами из двутавровых балок длиной 6—6,5 м. Пояса проложены между рядами накатника, через них пропущены болты, стягивающие металлические скобы, охватывающие нижнее и верхнее бревно.
Щиты с одинарным накатником применяют при мощности пластов 2,5—4 м, а с двойным накатником — 4—7 м. На пластах мощностью 8—14 м с углами падения более 60° применяют сдвоенные бессекционные щиты.
Бессекционные щиты имеют ряд преимуществ по сравнению с секционными: они прогибаются по простиранию и приспосабливаются к форме очистного забоя, требуют меньшего расхода лесоматериалов на накатник и на основу щита, меньших затрат труда на монтаж и эксплуатацию щитового перекрытия. При бессекционных щитах сокращается число аварий ввиду отсутствия разрывов связей между секциями и прорыва породы в этих местах. Поэтому при бессекционных щитах возможны значительные прогибы их над углеспускными печами без аварийных нарушений щитового перекрытия.
Стремление исключить применение дорогостоящих деревянных элементов щитовой крепи привело к созданию щитов из железобетонных балок. По конструктивному исполнению такой щит является бессекционным с одной балкой.
Для разработки пластов мощностью менее 2,3—2,5 м предложены конструкции, образующие на рабочем пространстве не плоское перекрытие, а перекрытие в виде шатра, свода, треугольника, прямоугольника. Из них наибольшее применение получили арочные щиты (рис. 4.10). Основным элементом их конструкции являются арки из металла специального профиля, применяемого для изготовления металлической арочной крепи. Арки 1 устанавливают на опорные балки и соединяют между собой двойными металлическими полосами 2 в два или три ряда и стягивают болтами 3. Сверху щит покрывают проволочной сеткой 4.
При разработке крутых пластов мощностью более 10 м возможно применение управляемых комбинированных гибких перекрытий (УКГП). При этом у висячего и лежачего боков монтируют бессекционные щиты, как при сдвоенных секционных щитах. Соединяют их с помощью гибкого перекрытия, ширина которого принимается с таким расчетом, чтобы находящийся под перекрытием целик угля можно было вынимать путем взрывания зарядов в длинных шпурах (рис. 4. 11).
При разработке пластов с углом падения 35—55° применяют как самопередвигающиеся щиты, так и щиты с принудительным перемещением. К самопередвигающимся относятся бессекционные щиты на катках, шатровые, роликовые щиты, щиты обтекаемой формы, Г-образные щиты на катках и др.
Плоские бессекционные щиты на катках предназначаются для пластов с углом падения от 40 до 55° мощностью от 3,5 до 8 м.
Рис. 4.9. Бессекционный щит
Рис. 4.10. Арочный щит
Рис. 4.11. Схема горных работ с применением управляемого комбинированного гибкого перекрытия:
а — подготовка участка и оборудование УКГП: 1 — металлическая лестница; 2 — переход; 3 — поперечно-наклонный проход; 4 — контрольная секция УКГП; 5, 6 и 7 — вентиляционные штреки; 8 — изоляционная перемычка;
б — разворот перекрытия в рабочее положение;
в — управление перекрытием при односкатной поперечно-наклонной форме забоя;
г — нормальное положение УКГП
Накатник у кровли опирается на целик, у почвы — на оси катков (рис. 4.12).
При разработке наклонных пластов используют шатровые щиты на катках, перемещающиеся под действием давления обрушенных пород. Неравенство сторон щита и шатровая его форма увеличивают подвижность щита, что позволяет применять его и без катков на пластах с углом падения 45.
Г-образные щиты (рис. 4. 13) состоят из отдельных секций длиной 5 м и шириной, равной мощности пласта (обычно от 3 до 5 м). Каждая секция состоит из швеллерных балок 1, изогнутых у кровли под углом 110° в форме буквы Г. На каждую секцию ставят четыре-пять балок, которые по простиранию соединяют поясами 2. Сверху на металлический каркас щита укладывают один ряд накатника из отесанных бревен 3. Секции соединяются между собой канатами. Недостатком щитов является их высокая металлоемкость.
Для обеспечения лучшей подвижности щитов и их управляемости при отработке пластов с углом падения менее 55° разработаны конструкции щитов с принудительным перемещением (1АЩ, 1АНЩ). Для перемещения их используются гидравлические и пневматические устройства.