книги из ГПНТБ / Глушихин, Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях
.pdfМомент сил сцепления |
|
|
|
||
|
Mcu = CftL A , |
(IV. 11) |
|||
где Си — величина |
сцепления |
по ослабленному контак |
|||
ту, тс/м2. |
|
(IV.8) |
общий момент сил сопро |
||
С учетом формулы |
|||||
тивления разрушению слоя основной кровли |
|
||||
Мс.с = е |
а Р + |
hiLi №yHt (1 + |
kt) cos P sin P |
+ |
|
6 c o s 2 p |
|
|
|
|
|
|
+ |
6Cftcos2 p]}. |
(IV. 12) |
||
Очевидно, что |
разрушение |
кровли |
наступит |
при |
|
условии |
|
|
|
|
|
Мс.с < Мс.
Приравнивая соответствующие значения этих мо ментов и производя несложные преобразования, полу чим исходное уравнение для определения предельной величины консоли основной кровли
yL] [Ht (1 + 2ki) + 3hj] cos2 p +
-rhiLi (Зу/^cospsinp — 6Cftcos2 p)— 2h\ op = 0. (IV. 13)
Специальные исследования, проведенные с целью установления характеристик контактов, по которым происходят расслоения пород [50, 51], показали, что расслоение приурочено, как правило, к наиболее сла бым контактам: зеркалам скольжения, углистым про слоям и т. д. При малой величине сцепления (2— 4 кгс/см2) коэффициент при Li в формуле (IV.13)
2>укгcos р sin р — 6СЙcos2 р » 0.
Это позволяет без существенного ущерба для точности расчетов пренебречь вторым членом уравнения.
Тогда уравнение (IV. 13) перепишется в виде
уL2[ [HL(1 + 2k) + З/14 cos2 p = 2h\ Op. |
(IV. 14) |
С учетом этого формула для определения шага раз рушения основной кровли имеет вид
Подсчет величины Li по уравнениям (IV.13) и (IV.14) показывает, что расхождение результатов не превышает
4 % и в среднем составляет 2%. Это |
позволяет для |
практических расчетов использовать |
формулу (IV. 15) |
как более простую и позволяющую получить достаточ но точные результаты.
• Формула (IV. 15) позволяет учитывать основные факторы, влияющие на длину консоли основной кровли,
в том числе и величину S (см. рис. |
34). Для этого сле |
||||
дует вместо величины Я, |
ввести ее значение |
|
|||
|
|
Я; = |
Я — 5. |
|
(IV. 16) |
Формула |
(IV. 15) |
в этом случае |
примет |
вид |
|
|
/ |
|
|
|
|
Формулы |
(IV. 15) |
и (IV.17) применимы |
только для |
||
расчета слоев основной кровли, представленных срав нительно прочными породами.
На электронно-вычислительной машине «Наири» были произведены расчеты шага обрушения слоев ос новной кровли в зависимости от ряда факторов, учи тываемых формулой (IV.15).
Результаты расчетов представлены в виде номограм мы на рис. 36. При построении номограммы постоянны ми были приняты следующие величины у = 2,5 тс/м2, р= 20°, остальные изменялись в значительных пределах. Из рис. 36 видно, что наибольшее влияние на длину консоли оказывают прочность пород, слагающих слой, мощность слоя и глубина залегания. Влияние собствен ного веса, показанное в правом нижнем квадранте рас ходящимися кверху линиями для мощностей слоя 3 м (сплошная линия) и 10 м (пунктирная), невелико. По
этому для |
слоев, у |
которых 3 < /г< 10 |
м, это влияние |
не показано |
и может |
быть определено |
интерполяцией. |
С увеличением глубины влияние собственного веса нич тожно по сравнению с другими факторами, пределы изменения которых указаны на номограмме.
Из результатов подсчета видно также, что влияние вида эпюры приложения нагрузок к консоли в исследо
111
ванных пределах от треугольной (kt —0) до трапецеи дальной со сторонами 0,ЗуН и уН невелико. Это влия ние показано в правом верхнем квадранте в виде серии наклонных прямых линий.
Порядок использования номограммы показан пунк тирной линией. Величина С, изменяется в пределах от 0,2 до 3, причем максимальная величина С\ имеет место при прочных породах па небольшой глубине. Влияние
глубины существенно сказывается до величины 300— 350 м. С дальнейшим увеличением глубины это влияние значительно уменьшается.
Изменение длины блоков основной кровли в зависи мости от различных факторов неизбежно вызывает и изменения закономерностей взаимодействия основной и непосредственной кровли, основной кровли и крепи очи стного забоя, что существенно влияет на условия рабо ты как индивидуальных, так и механизированных крепей.
Из номограммы следует, что в средних условиях раз
работки пологих пластов Кузбасса на глубине |
150— |
300 м при прочности пород на растяжение |
10— |
30 кгс/см2 отношение длины блока к мощности разру шающегося слоя изменяется в пределах от 0,5 до 1,2.
112;
Наблюдения в шахтных условиях подтверждают ре зультаты расчетов.
В табл. 5 приведены сравнительные данные, полу ченные на основе исследований и рассчитанные по фор муле (IV. 15) для тех же условии. Из нее видна доста точно хорошая сходимость результатов
П л а с т
5
14
4
—
—
Т о л м ач евск и й Емел ья новски й Б айкаимский
Т а б л и ц а 5
О тн о ш е н и е д л и н ы б л о к а |
|
к м о щ н о с т и с л о я С , |
|
М е с т о п р о в е д е н и я |
|
и с с л е д о в а н и я |
|
ф а к ти ч е с к о е |
р а с ч е т н о е |
Ш а х т а « Ч е р т и н с к а я » |
i — i , i 6 |
1 , 1 5 |
Ш а х т а « А б а ш е в с к а я » |
0 , 8 5 — 1 ,3 |
1 ,2 3 |
Ш а х т а № 25 |
0 , 5 |
0 , 5 7 |
М о д е л ь |
2 , 6 7 |
2 , 3 |
М о д е л ь |
2 |
1 ,9 5 |
Ш а х т а им . К и р о в а |
0 , 6 — 1 |
1 , 2 5 |
Т о ж е |
1 ,2 |
1,1 |
Ш а х т а « П о л ы с а е в с к а я » |
0 , 6 5 — 0 , 7 5 |
1 , 2 |
В связи с этим следует остановиться на рассмотре нии терминов, применяемых в технической литературе при описании характера разрушения пород над очи стными выработками.
Под |
у з к о б л о ч н ы м |
р а з р у ш е н и е м |
слоев |
|
кровли |
(непосредственной |
или основной) мы понимаем |
||
разрушение пород на элементы, у которых |
отношение |
|||
длины в направлении, перпендикулярном |
линии |
забоя |
||
к высоте меньше единицы. |
|
|
|
|
К о р о т п о б л о ч н о е |
р а з р у ш е н и е , |
свойствен |
||
ное преимущественно основной кровле, характеризуется условием 1 < С ,< 2 .
К д л и и и о б л о ч и о м у р а з р у ш е н и ю следует относить случаи, когда длина блока более чем вдвое превышает его высоту. Такое разрушение, как показы вает опыт отработки пластов и расчеты, наблюдается в слоях с большой прочностью и при небольшой глуби не разработки.
113
§ 4. Перемещение кровли над призабойным пространством лавы
Исследования в шахтных условиях и на моделях по казали, что наклонные трещины в непосредственной кровле возникают вдоль линии очистного забоя и пере секают всю толщу кровли. Частота возникновения тре щин определяется прочностью породы и прочностными характеристиками пласта угля.
Сразу после образования блоки стремятся откло ниться в сторону выработанного пространства и одно-
/
Рис. 37. Схема перемещения блоков кровли
временно выскользнуть в призабойное пространство по наклонным поверхностям трещин.
На основании результатов исследований построена общая схема разрушения и перемещения кровли (рис. 37). Рассмотрим схему перемещения нижнего кон тура блоков непосредственной кровли.
Пунктиром |
показано |
первоначальное |
положение |
|||
блока |
1 с нижней кромкой АВ. |
Предположим, что |
||||
блок |
2 первоначально находился |
на |
том |
же уровне. |
||
В результате |
разворота |
блока 1 |
и |
проскальзывания |
||
блока 2 система заняла положение, показанное сплош
ными линиями. Точка В блока |
1 заняла |
положение В\, |
а сопряженная точка блока 2 — положение Е. |
||
Величина перемещения по нормали к пласту соста |
||
вит, как следует из схемы, |
|
|
ДАв = Д/ii + |
ДА* |
(IV. 18) |
114
гдеД/ii = / sin Да — смещение за счет разворота первого блока вокруг точки А (см. рис. 37); ДЛ2 — величина проскальзывания второго блока относительно первого.
При развороте первый блок должен «оттолкнуть» второй блок на некоторую величину
Д/3 = / sin t o ^ctg а г — tg -у-^ , |
(IV. 19) |
Смещение второго блока в сторону выработанного пространства способствует сохранению контакта между блоками и возникновению сил распора.
Точка Е за это время сместилась в сторону забоя на величину В Д = Л 12.
Величина этого смещения определится из треуголь ника ВДЕ
Д/2 = Д/3 ctg ф = ctg ф (/ sin Д^ + Дh2), (IV.20)
где ф — средний угол наклона траектории перемещения точки Е.
С другой стороны, величина Д/2 может быть опреде
лена из выражения |
|
|
|
|
Д/а = |
A/i2ctgax -f /sin t o tg - ^ p . |
(IV.21) |
||
Угол наклона |
траектории |
перемещения |
точки |
Е |
определяется из |
равенства |
выражений |
(IV.20) |
и |
(IV.21) |
|
|
|
|
tg Ф = |
------- A/,2 + /sinAcc------- . |
(IV.22) |
||
|
|
Д а |
|
|
|
Д h2 c t g а х + I s in Д а t g —— |
|
|
|
Из выражения (IV.22) следует, что на направление перемещения нижней кромки блоков непосредственной кровли влияют все основные факторы: угол поворота блоков, длина блока по простиранию, угол наклона тре щин, величина относительного проседания блоков по
трещинам. Если |
блоки |
не |
стремятся |
развернуться |
|||
(Л а= 0), смещение |
контура |
кровли |
будет |
происходить |
|||
под углом наклона трещин. |
|
|
призабойного |
||||
Общее смещение кровли в пределах |
|||||||
пространства |
зависит |
от |
количества |
поддерживаемых |
|||
блоков. Угол |
наклона |
траектории движения контура |
|||||
кровли в призабойном пространстве, как показали ис следования, не остается постоянным.
115
Средний угол наклона траектории смещения опреде лится (с учетом всех взаимных проскальзываний) из выражения
|
|
(Ml, - f - 1sin |
Д а ) |
|
|
|
|
|
|||
tg Фср = |
ifI |
l |
|
|
|
|
|
|
(IV.23) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
Д а |
|
|
|
|
||
|
|
( д / , c t g a t + 7 sin |
Д а t g |
|
|
|
|
||||
|
|
T |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Перемещение кровли в плоскос |
На |
основе |
|
формулы |
|||||||
ти пласта, мм |
|
(IV.23) |
были определены |
||||||||
|
|
|
траектории перемещения |
||||||||
|
|
|
блоков |
применительно |
к |
||||||
|
|
|
результатам |
исследова |
|||||||
|
|
|
ний в шахтных |
условиях |
|||||||
|
|
|
и на модели. Для расчета |
||||||||
|
|
|
принимались |
|
крайние |
||||||
|
|
|
значения |
измеренных |
ве |
||||||
|
|
|
личин. |
По данным |
иссле |
||||||
|
|
|
дований построен график |
||||||||
|
|
|
(рис. 38), |
из |
|
которого |
|||||
|
|
|
следует, |
что |
|
формула |
|||||
|
|
|
(IV.23) |
|
достаточно |
хо |
|||||
|
|
|
рошо отражает кинемати |
||||||||
|
|
|
ческие |
условия |
взаимо |
||||||
|
|
|
действия блоков. |
|
кровли |
||||||
|
|
|
Перемещение |
|
|||||||
|
|
|
в сторону |
забоя в |
плос |
||||||
|
|
|
кости |
пласта, |
достигаю |
||||||
|
|
|
щее в |
наиболее |
тяжелых |
||||||
|
|
|
случаях 40% |
от |
смеще |
||||||
|
|
|
ний |
по |
вертикали |
может |
|||||
Р и с . 38. Т р а е к т о р и я п е р е м е щ е н и я |
вызвать |
дополнительные |
|||||||||
силы, |
действующие |
на |
|||||||||
к о н т у р а к р о в л и : |
|
||||||||||
|
механизированную |
крепь. |
|||||||||
I — в н а т у р е ; 2 — в м о д е л и ; 3 — р а с ч е т - |
|||||||||||
|
|
|
При |
проектировании |
и |
||||||
|
|
|
выборе |
типа |
|
механизи |
|||||
рованных крепей для отработки пластов с тяжелыми кровлями необходимо учитывать смещение контура кровли в плоскости пласта во избежание полома узлов крепи.
116
При выборе механизированных крепей валено знать угол отклонения стоек от первоначального положения за время работы в цикле. Величина угла может быть определена из выражения (IV.24) с учетом конструк тивных особенностей крепи
П
t g t i = |
|
1 |
h |
(IV.24) |
|
(т — Дh3— A) tg фср |
|||||
В |
|
||||
где 4/i — угол отклонения |
стоек относительно |
первона |
|||
чального положения |
при |
установке, |
градус; |
Ь\ — шаг |
|
передвижки крепи, |
м; т |
— мощность |
пласта, |
м; Л = |
|
= а,\ + а2, а,\ — расстояние от кровли до верхнего шарни
ра стойки, м; яг — расстояние от |
почвы до |
нин<него |
шарнира стойки, м; В — ширина |
поддерживаемого про |
|
странства, м. |
|
|
Учет смещения кровли в плоскости пласта |
весьма |
|
важен для крепей типа МК, которые имеют шарнирные четырехзвенники, связывающие основание секций с перекрытием. Четырехзвенник при опускании перекры тия не позволяет ему смещаться в сторону забоя, так как' это может приводить к возникновению больших продольных сил в перекрытии и соединениях с ограж дением.
Угол наклона траектории смещения блоков в выра ботанном пространстве уменьшается и становится близ ким к углу наклона граней блоков после их разворота. Вследствие этого первый блок в выработанном прост ранстве при больших смещениях может пригрузить крайний ряд крепи со стороны выработанного прост ранства, что на практике неоднократно приводило к выбивке и поломке индивидуальной крепи, повалу стоек ОКУ и повреждению корпусов стоек механизированных крепей.
Для избежания вредного воздействия этих пригру зок стойки последнего ряда крепи необходимо устанав ливать на некотором расстоянии впереди трещины, по
которой |
происходит относительное |
проскальзывание |
||
блоков. |
Величина этого |
расстояния |
определится из |
|
формулы |
|
|
|
|
|
ДI = АЛ3(ctg <р — ctga) -f (1 — k3)m ctgalt (IV.25) |
|||
где k3— коэффициент засорения почвы, |
учитывающий |
|||
уменьшение свободного |
пространства |
по |
высоте. |
|
117
При использовании механизированных крепей та же цель может быть достигнута за счет удлинения задней консоли перекрытия или создания грузонесущих ограж дений.
Характер перемещения блоков основной кровли за висит от их длины. Схема перемещений длинных блоков (Ci> 2 ) достаточно подробно рассмотрена в работах Г. Н. Кузнецова, поэтому здесь не анализируется. Ука жем только, что срыв длинных блоков в переднем шар нире при основной кровле, сложенной мощными монолитными песчаниками, маловероятен. Однако в прин ципе он возможен, поэтому перемещения его переднего конца в этот момент вызовут большие перемещения кровли в призабойном пространстве. Величина их опре делится новым состоянием равновесия, которое может наступить в результате повышения сопротивления кре пи или возникновения дополнительных сил распора в системе.
При короткоблочном разрушении основной кровли характер перемещения блоков изменяется. Блоки вы скальзывают по наклонным трещинам с некоторым отклонением в сторону выработанного пространства и с образованием арочных систем. Однако выскальзыва ние блоков по наклонным трещинам в последнем слу чае неизбежно, что и обусловливает тяжелые условия работы крепей в призабойном пространстве лав.
Г л а в а V
РАСЧЕТ НАГРУЗОК НА КРЕПЬ
§ 1. Построение расчетных схем
Анализ результатов шахтных и лабораторных иссле дований разрушения и перемещения трудноуправляе мых кровель позволяет построить типовые расчетные схемы для определения нагрузок на крепь. Рассмот рение их будем проводить в соответствии с типовыми схемами разрушения кровель.
Наиболее тяжелые условия нагружения крепи бу дут иметь место при влиянии осадок основной кровли. Общая нагрузка на крепь на 1 м лавы в этих условиях составит
|
Р = |
Рп + Р „ |
(V.1) |
|
где Р — полная нагрузка |
на |
крепь на 1 м линии забоя |
||
лавы, тс; |
Рп, Р 0 — нагрузка |
на крепь соответственно от |
||
непосредственной и основной кровли, тс. |
обусловлен |
|||
Такой |
подход к определению нагрузок |
|||
тем, что при одинаковой схеме разрушения и переме щения непосредственной кровли могут иметь место раз ные формы разрушения и перемещения основной кровли. В данном случае предполагается решение плоской за дачи.
Расчетные схемы выделяются в соответствии с фор мами разрушения и перемещения непосредственной кровли. Форма разрушения основной кровли определя ет собой вариант схемы.
С х е м а I характеризуется узкоблочным разруше нием непосредственной кровли с обрушением блоков в выработанном пространстве сразу за крепью. Такая схема наблюдается на пластах, у которых отношение
119