книги из ГПНТБ / Глушихин, Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях

параметров точек АР, характеризующих сопротивления срабатывания клапанов и фактические сопротивления

многочисленным измерениям не превышает 70—80% от номинального, а иногда уменьшается до 30%. В этих условиях смятие контактов и общее смещение кровли увеличиваются за счет меньшей жесткости системы. Тре­ бования к состоянию контактных поверхностей системы крепь—боковые породы должны быть повышены.

160

При узкоблочном разрушении непосредственной кровли передача нагрузок в начальный период облома основной кровли происходит через ближайший к забою блок, который может сохранять частичную опору на забой. При выходе его в призабойное пространство основная часть нагрузки будет восприниматься кон­ солью перекрытия. Поскольку удельные нагрузки на крепь в этот момент велики, происходит опускание кон­ соли до тех пор, пока они не уменьшатся за счет того, что пригрузка на крепь от основной кровли начнет пе­ редаваться через несколько блоков. Очевидно, что удер­ жать консолью крепи блок основной кровли практически невозможно. В связи с этим проседания кровли по тре­ щинам вблизи забоя при осадке основной кровли при современных конструкциях механизированных крепей следует считать неизбежными. Однако величина просе­ дания может быть существенно уменьшена за счет при­ менения крепей с высоким начальным распором и высо­ кой несущей способностью. С этой точки зрения на пла­ стах с тяжелыми кровлями нецелесообразно применять крепи с наклоном верхнего перекрытия в сторону выра­ ботанного пространства, так как это способствует уве­ личению проседания кровли у забоя.

Нагрузки на часть крепи могут увеличиться также, если они от основной кровли передаются на крепь через один последний поддерживаемый блок. Опасным для крепи является также случай, когда опорный блок пе­ редает нагрузку только на оградительную часть крепи в виде сосредоточенных сил. Поскольку эти нагрузки значительны, ограждения могут быть деформированы, что имело место при использовании крепи М-81 и комплекса ПМК. Эти данные еще раз подтверждают, что расчетные нагрузки на оградительную часть меха­ низированных крепей для пластов с тяжелыми кровлями должны приниматься гораздо большими, чем принима­ лись до сих пор.

С точки зрения облегчения условий работы огради­ тельной части крепи поддерживающе-оградительного типа должны иметь возможно больший угол наклона и не выступать значительно за пределы заднего конца под­ держивающей части.

Действием периодически повторяющихся повышен­ ных нагрузок на консольную часть перекрытий вблизи

забоя н объясняются периодические потери высоты подкрепного пространства, наблюдаемые при эксплуатации крепей. Применение секций крепи с подрессоренными консолями на таких пластах нежелательно, консоли должны быть активными. Крепи поддерживающе-огра- дительного типа применять можно, однако существую­ щие конструкции их должны быть усовершенствованы.

Схема взаимодействия крепей поддерживающего ти­ па с тяжелыми кровлями в основном та же, что и кре­ пей поддерживающе-оградительного типа. Отличием является необходимость предусматривать специальные меры для предотвращения ударов пород кровли по не­ защищенным деталям крепи, в частности стойкам.

Исходя из условий работы механизированных крепей, схемы их нагружения можно представить в следующем виде.

Пригрузка от основной кровли в начальный период ее влияния передается только через первый от забоя блок (рис. 53, а). Максимальная удельная нагрузка сосредоточивается на передней части перекрытия. Вре­ мя ее действия определяется временем смещения основ­ ной кровли до тех пор, пока нагрузка не распределится на все поддерживаемые блоки. Поскольку современные механизированные крепи не способны выдерживать большие удельные нагрузки на переднем конце пере­ крытия, необходимо определить параметры смещения слоя основной кровли.

Из общей схемы взаимодействия непосредственной и основной кровель выведена формула для определения смещения верхней кромки непосредственной кровли

ДЯИ= 2h ctg a sin Да + — (1 — cos Да) -f

".

n j sin Да 4- У ДА„. (VI. 1) I

Все обозначения приведены-ранее.

Из формулы (IV. 1) следует, что смещение верхних кромок блоков непосредственной кровли зависит от мощности слоя, угла поворота блоков, их длины, взаим­ ного проседания по трещинам и ширины поддерживае­ мого пространства (числа поддерживаемых блоков). Для того чтобы пригрузка от основной кровли равно­

162

мерно распределилась по ширине поддерживаемого пространства, основная кровля должна опуститься на

величину АН».

После выравнивания пригрузок от основной кровли по всей длине крепи схема' нагружения крепи приобре-

а

б

Рис. 53. Схемы нагружения механизирован­ ных крепей с тяжелыми кровлями

тает вид, показанный на рнс. 53, б. Распределение на­ грузки на оградительную часть показано для неблаго­ приятного случая.

В период конечного влияния осадки основной кровли удельные нагрузки сосредоточиваются на границе при­

6* 163

забойного пространства с выработанным, вследствие чего возникает схема нагружения, представленная на рис. 53, в.

В зависимости от длины секций крепи 1К и шага ее передвижки число циклов, в течение которых крепь будет испытывать повышенные нагрузки от основной кровли, определится по формуле

Число циклов, в течение которых крепь будет рабо­ тать под влиянием нагрузки только от непосредственной кровли, определится по формуле

ЛГ2 = *1 - (« - *■ > . (VI.3)

Формулы (VI.2) и (VI.3) справедливы для случая, когда не происходит зависания блоков основной кровли. Они показывают, что частота появления повышенных нагрузок на механизированную крепь зависит от длины крепи и длины блока основной кровли. Продолжитель­

движки. Очевидно, что при такой схеме нагружения крепи и довольно высоких частоте (до 50% от общего числа циклов) и продолжительности приложения повы­ шенных нагрузок (четыре—шесть циклов) определение несущей способности крепи необходимо проводить имен­ но для этих периодов.

Здесь были рассмотрены основные факторы, обуслов­ ливающие работу механизированной крепи. Не всегда их воздействие может быть оценено количественно, осо­ бенно применительно к конкретному забою. Поэтому возникает необходимость совокупной их оценки для практического определения условий работы механизи­ рованных крепей.

§ 4. Режим работы механизированных крепей

Ранее было показано, что на пластах с тяжелыми кровлями нагрузки на крепь могут колебаться в широ­ ких пределах. При проведении шахтных исследований

164

с целью определения сопротивления крепи в этих усло­ виях недопустимо осреднение измеренных величин на каком-либо участке подвигания забоя. Необходимо производить расчет по максимальным их значениям, тем более что они могут проявляться в 50% выемочных

циклов.

Анализ результатов многочисленных измерений на­ грузок на механизированные крепи [26, 40] показал, что во всех случаях фактические нагрузки оказываются ниже, чем рабочее сопротивление крепи, хотя иногда наблюдалось зажатие крепей нажестко. Фактические нагрузки на крепь колеблются от одного цикла к дру­ гому, особенно на пластах с трудноуправляемыми кров­ лями. При приближении фактических нагрузок к рабо­ чему сопротивлению крепи податливость стоек за цикл резко возрастает. Все это убеждает в том, что на ра­ боту механизированных крепей оказывает влияние со­ отношение рабочего (настроечного) сопротивления кре­ пи Pv и фактических нагрузок на нее Яф. Величину это­ го отношения назовем коэффициентом сопротивления крепи:

Величина Рр определяется настройкой клапана и может быть принята средней по определенному числу секций. Фактическая нагрузка на крепь Рф должна определяться по возможно большему числу рядом стоя­ щих секций в каждом цикле, но не менее 10 (исходя из пределов разброса показаний), и приниматься как средняя величина. При таком подходе в анализ войдут все измерительные секции. Величина К должна опреде­ ляться для каждого цикла.

Другой сопряженной величиной, определяющей со­ стояние самой крепи в цикле, является податливость стоек за цикл. При этом, следует рассматривать сред­ нюю податливость по всем измерительным секциям в цикле. Податливость стоек соседних секций может, как было показано, значительно отличаться друг от друга. Скорость нагружения секций крепи в очистном забое в общем случае для разных секций различна. Поэтому и нагрузки на отдельные секции также будут различны. Сначала стойки работают как упругие опоры. Затем

165

по мере опускания кровли все большее число стоек будет выходить на рабочее сопротивление. Рост сред­ него сопротивления крепи начнет замедляться с одно­ временным увеличением средней податливости. Наконец может наступить такой момент, когда все стойки или большинство их выйдут на постоянное рабочее сопро­ тивление. При этом могут наблюдаться две принципи­ альные схемы взаимодействия крепи и кровли. В пер­ вом случае смещение кровли и податливость стоек су­ щественно не изменяются по величине по сравнению с предыдущими фазами нагружения. Это указывает на то, что смещение кровли определяется общим характе­ ром деформирования подработанной толщи.

Во втором случае смещение кровли и податливость крепи резко возрастают и становятся опасными. На пластах с таким характером взаимодействия кровли и крепи нельзя допускать выхода всей крепи на постоян­ ное сопротивление. Необходимо иметь определенный запас несущей способности крепи.

Чтобы подойти к правильному определению рацио­ нального сопротивления механизированной крепи, не­ обходимо учесть все факторы, влияющие на работу системы крепь — боковые породы. Однако практически это невозможно. Поэтому для оценки состояния крепи, условий ее работы и определения рационального рабо­ чего сопротивления целесообразно строить по данным наблюдений зависимости средней податливости в цикле от коэффициента сопротивления крепи

А/гц = ф(/С).

При этом на график должны наноситься сопряженные точки податливости и величины К по каждому циклу измерений отдельно*. Осреднение указанных величин, полученных по нескольким циклам наблюдений, может привести к ошибкам. Покажем это на результатах четы­ рех этапов измерений, проведенных на комплексе ПМК на шахте «Чертинская» (табл. 6).

При уменьшении рабочего сопротивления крепи (со­ противления настройки клапанов) со 160 до 80 тс на секцию средняя за этап податливость стоек возросла с 5 до 66,2 мм. Обращает внимание, что средние фак­ тические нагрузки на крепь остались практически на одном уровне. Это говорит, что они не зависят от сме-

166

Т а б л и ц а 6

щений кровли. Максимальные же нагрузки на крепь в период вторичных осадок кровли намного превышали средние нагрузки, также резко увеличивалась и макси­ мальная податливость.

Из данных табл. 6 видно, что параметры крепей не могут определяться средними измеренными величинами какого-то одного этапа наблюдений. Их необходимо выбирать по среднемаксимальным значениям пиковых проявлений вторичных осадок. Приведенные результаты измерений свидетельствуют о том, что податливость крепи зависит от того, насколько велико различие меж­ ду фактическими нагрузками на крепь и сопротивлением настройки крепи. Положение точек на графике (рис. 54), построенном на основании результатов тех же измерений, указывает на наличие устойчивой зави­ симости податливости стоек от соотношения сопротив­ ления настройки и фактического (измеренного) сопро­ тивления крепи [60]. Разброс точек характеризует со­ вокупное влияние различных факторов (утечки рабочей жидкости, вдавливания крепи, изменения фактического уровня сопротивлений, срабатывания клапанов, смятия штыба и т. д.). По точкам проведена кривая, которая близка к экспоненте. Ее характер указывает на то, что податливость крепи существенно начинает увеличиваться при определенном значении величины Л) и по мере умень­ шения последней растет все быстрее. При Л'=1,4 по­ датливость возрастает до аварийной величины.

На кривой, характеризующей работу крепи, можно выделить две точки, в которых характер зависимости

167

значительно изменяется. Одна точка расположена в той части кривой (правая ее ветвь), в которой начинается значительное увеличение податливости, вторая нахо­ дится в месте выполаживания кривой (левая ее ветвь), где небольшое уменьшение величины К вызывает значи­ тельное увеличение податливости. Точное их местополо-

А

и К, но в этом практически нет необходимости, так как разброс исходных данных для определения указанных величин намного превышает точность выбора положе­ ния точек на кривой.

Назовем первую точку критической (/Скр). Она со­ ответствует такому соотношению рабочего и фактиче­ ского сопротивления, при котором начинает возрастать податливость. Вторая точка соответствует минимально­ му значению этого соотношения (Япип), ниже которого крепь практически не способна удерживать кровлю от смещения.

168

Положение этой точки на графике указывает, во сколько раз максимальное фактическое сопротивление крепи меньше рабочего с учетом всех влияющих фак­

препятствовать смещению кровли, что и привело на практике к зажатию стоек (средняя податливость в цикле достигла 220 мм при /Сг= 1,1 (на рис. 54 не показано).

Положение точек Ккр и /Cmin на графике позволяет выделить три режима работы механизированной крепи:

противление крепи оказывает влияние на податливость, причем это влияние описывается криволинейной зависи­

мостью.

В а в а р и й н о м ( н е у с т о й ч и в о м ) р е ж и м е крепь практически работать не может. Здесь при не­ большом изменении сопротивления крепи, даже в пре­ делах разброса данных, податливость крепи меняется очень резко. Наблюдаются случаи чрезмерного опуска­ ния секций.

С точки зрения надежности работы крепи ее сопро­ тивление должно выбираться по устойчивому режиму, однако излишнее сопротивление нежелательно по ряду причин. Основными из них следует считать большой вес крепи и возможность разрушения контактных по­ верхностей. Поэтому наиболее рациональным следует считать сопротивление, соответствующее на графике точке ККр. В этом случае крепь будет работать в режи­ мах устойчивом и возможного управления. Для опреде­ ления режима работы крепи и рационального ее сопро­ тивления необходимо провести замеры фактического сопротивления и податливости крепи и нанести их на график в указанных координатах.

При этом нет необходимости изменять сопротивление настройки крепи. Если на графике четко выделяется аварийный режим, следует считать, что сопротивление настройки крепи недостаточно для этих условий и его необходимо увеличить либо применить другую крепь.

169