System of Calculations | Mine

Крепь монтажных камер выбирают согласно типовым сечениям или индивидуально разработанным сечениям для угледобывающих предприятий отраслевыми институтами для различных механизированных комплексов.

Типовые сечения монтажных камер

При недостаточной прямолинейности монтажной камеры, а также при подготовке выемочного участка с отработкой по падению (восстанию) пласта, к стойкам крепи для доставки секций должен устанавливаться направляющий отбойник из деревянных брусьев.

Технология проведения монтажной камеры

Зачастую монтажные камеры проходят с помощью комбайна или буровзрывным способом, где уборка горной массы осуществляется породоуборочной машиной, скреперной установкой. При такой механизации возведение средних стоек в забое выработки не выполняется. Их установку производят за машинами или лебедкой.

Расчет крепи

Сложность выполнения расчета рамной крепи для монтажных камер заключается в том, что в инструкциях по выбору крепи представлены параметры смешанной крепи с максимальной длиной верхняка 3,4 м. Как видно из типовых сечений, длина верхняка для монтажа различных механизированных комплексов может достигать 6 м.

Критическим значением для применяемой рамной смешанной крепи является прогиб верхняка более 0,4 м. Опыт крепления таких выработок показал, что при достижении этих значений прогиба верхняка происходит разрушение конструкции крепи и завал забоя выработки.

Если обратить внимание на металлическую крепь с прямолинейным верхняком КМП-Т(П) или КПС, максимальная ширина такой крепи по кровле составляет 4,2 м с учетом установки двух промежуточных центральных стоек. Это также не подходит для крепления монтажных камер при применяемой технологии проведения выработки и дальнейшего монтажа комплекса.

Определять смещение и давление пород будем согласно стандарту «Подготовительные выработки на пологих пластах. Выбор крепления, способов и средств охраны» СОУ 10.1.00185790.011:2007. Этот стандарт позволяет произвести расчет смещений горных пород на различных расстояниях от забоя выработки.

Последовательность расчета смещений пород в монтажной камере при проведении

Порядок расчета выполняется согласно п. 8.1 стандарта.

Ширина выработки в проходке, м, рассчитывается по формуле:

$$B_{пр}=1,1B+0,4$$

где: В – ширина выработки в свету.

Далее находится коэффициент влияния геометрических размеров выработки:

$$K_{s}=0,2 \left( B_{пр} - 1\right)$$

Рассчитывается значения коэффициентов влияния слоев пород на определяемую крепость по мере отдаления от середины выработки:

$$K_{i}=exp \left[ -0,5 \left( l_{i} - {h \over 2} \right) \right]$$

где: l_i – расстояние от середины выработки в проходке до середины определенного слоя пород, м; h – высота выработки в проходке, м.

Средняя крепость кровли R_кр и почвы R_п, МПа, учитывая нарушение породного массива и обводненность выработки определяется по формуле:

$$R_{кр(п)}={R_{1}m_{1}K_{1}+R_{2}m_{2}K_{2}+ ... +R_{n}m_{n}K_{n} \over m_{1}K_{1}+m_{2}K_{2}+ ... +m_{n}K_{n}}$$

где: R­₁, R₂, … ,R_n – значение крепости отдельных слоев пород, МПа; m₁, m₂, …, m_n – мощность слоя, м.

Средняя крепость пород рассчитывается по формуле:

$$R={R_{кр}+R_{п} \over 2}$$

Далее определяется коэффициент устойчивости пород:

$$K_{y}=1,64 - 0,01R$$

Рассчитывается суммарное смещение кровли и почвы, мм:

$$U_{пр}=1,5HK_{s}K{y}$$

где:H – глубина размещения выработки от поверхности, м.

Коэффициент влияния глубины разработки:

$$K_{н}=1,2-0,0004H$$

Далее определяется коэффициент, который характеризует часть смещений кровли от общих смещений кровли и почвы:

$$K_{кр}={R_{п}K_{н} \over R_{кр}+R_{п}}$$

Теперь можно определить расчетное смещение кровли:

$$U_{кр}={U_{пр} \over 1000}K_{кр}$$

Определение закономерностей развития процесса смещений пород

Смещение пород отличается не только величиной, но и характером развития процесса смещений в зависимости от расстояния до проходческого забоя.

При проведении горных выработок, отношение ε величины смещения пород в определенной точке до конечного значения в зависимости от расстояния до проходческого забоя рассчитывается согласно формуле:

$$\varepsilon ={0,92L_{п} \over 28+L_{п}}$$

где: 0,92, 28 – эмпирические коэффициенты для проведения выработок в массиве угля или пород; L_п – расстояние до проходческого забоя, м.

Ожидаемая величина смещений пород на каком-либо расстоянии от проходческого забоя U_о в метрах рассчитывается по формуле:

$$U_{o}=U_{кр}\varepsilon$$

Определение горного давления на 1 м подготовительной выработки

Рассчитываем высоту свода расслоившихся пород в метрах:

$$h_{c}={U_{кр(o)} \over 0,5}$$

Теперь можно определить вес пород в килоньютонах, формирующий нагрузку на 1 м крепления выработки:

$$P={2 \over 3}B_{пр} \gamma h_{c}$$

Влияние динамического проявления горного давления характеризуется коэффициентом динамичности К_Д, который определяют согласно таблице.

В подготовительных выработках в случае проведения в массиве угля или пород окончательно вес пород принимают:

$$P={2 \over 3}B_{пр} \gamma h_{c} K_{д}$$

Определение прогиба балки (верхняка)

Прогиб балки, см, определяется по формуле:

$$f={5 \over 384}{PL^{4} \over EI }{1 \over n}$$

где: L – длина верхняка, см; I – момент инерции сечения верхняка, см⁴; для СВП-27 I = 646,1 см⁴, СВП-33 I = 999,5 см⁴; E – модуль Юнга; для стали Е = 1,9÷2,1×10⁸ кН/м²; n – плотность установки крепи.

Пример расчета крепи

Расчет параметров крепления Вентиляционного ходка 2 восточной лавы (На всем протяжении)

Расчет выполнен в соответствии с СОУ 10.1.00185790.011:2007 ''Подготовительные выработки на пологих пластах. Выбор крепления, способов и средств охраны'', Минуглепром Украины, Киев, 2007 г.

Исходные данные:

Вид поддержания выработки: Поддержание подготовительной выработки при проведении.

Условие поддержания: В массиве угля или пород.

Характеристика пород кровли (по мере удаления от середины поперечного сечения выработки):

Характеристика пород почвы (по мере удаления от середины поперечного сечения выработки):

Порядок расчета

Порядок расчета выполняется согласно п. 8.1 стандарта.

Ширина выработки в проходке, м, рассчитывается по формуле:

$$B_{пр}=1,1B+0,4$$

$$B_{пр}=1,1 \times 5,5+0,4=6,45$$

Далее находится коэффициент влияния геометрических размеров выработки:

$$K_{s}=0,2 \left( B_{пр} - 1\right)$$

$$K_{s}=0,2 \left( 6,45 - 1\right) = 1,09$$

Рассчитывается значения коэффициентов влияния слоев пород на определяемую крепость по мере отдаления от середины выработки:

$$K_{i}=exp \left[ -0,5 \left( l_{i} - {h \over 2} \right) \right]$$

$$K_{к_{1}}=exp \left[ -0,5 \left( 0,7 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 1,4191$$

$$K_{к_{2}}=exp \left[ -0,5 \left( 2,775 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,5028$$

$$K_{к_{3}}=exp \left[ -0,5 \left( 4,3 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,2346$$

$$K_{к_{4}}=exp \left[ -0,5 \left( 6,95 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0623$$

$$K_{к_{5}}=exp \left[ -0,5 \left( 11,95 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0051$$

$$K_{к_{6}}=exp \left[ -0,5 \left( 16,95 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0004$$

$$K_{п_{1}}=exp \left[ -0,5 \left( 0,45 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 1,608$$

$$K_{п_{2}}=exp \left[ -0,5 \left( 2,9 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,4724$$

$$K_{п_{3}}=exp \left[ -0,5 \left( 6,9 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0639$$

$$K_{п_{4}}=exp \left[ -0,5 \left( 10,9 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0087$$

$$K_{п_{5}}=exp \left[ -0,5 \left( 13,15 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0028$$

$$K_{п_{6}}=exp \left[ -0,5 \left( 14,9 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0012$$

$$K_{п_{7}}=exp \left[ -0,5 \left( 17,9 - {2,8 \over 2} \right) \right] = 0,0003$$

Средняя крепость кровли R_кр и почвы R_п, МПа, учитывая нарушение породного массива и обводненность выработки определяется по формуле:

$$R_{кр(п)}={R_{1}m_{1}K_{1}+R_{2}m_{2}K_{2}+ ... +R_{n}m_{n}K_{n} \over m_{1}K_{1}+m_{2}K_{2}+ ... +m_{n}K_{n}}$$

$$R_{кр}={27,814+37,335+7,459+10,911+0,896+0,074 \over 1,987+1,383+0,07+0,312+0,026+0,002}=22,356 \: МПа$$

$$R_{п}={30,391+88,805+12,018+1,627+0,022+0,204+0,045 \over 1,447+1,889+0,256+0,035+0,001+0,004+0,001}=36,643 \: МПа$$

Средняя крепость пород рассчитывается по формуле:

$$R={R_{кр}+R_{п} \over 2}$$

$$R={22,356+36,643 \over 2} = 29,499 \:МПа$$

Далее определяется коэффициент устойчивости пород:

$$K_{y}=1,64 - 0,01R$$

$$K_{y}=1,64 - 0,01 \times 29,499 = 1,168$$

Рассчитывается суммарное смещение кровли и почвы, мм:

$$U_{пр}=1,5HK_{s}K{y}$$

$$U_{пр}=1,5 \times 710 \times 1,09 \times 1,168 = 1356 \:мм$$

Коэффициент влияния глубины разработки:

$$K_{н}=1,2-0,0004H$$

$$K_{н}=1,2-0,0004 \times 710 = 0,916$$

Далее определяется коэффициент, который характеризует часть смещений кровли от общих смещений кровли и почвы:

$$K_{кр}={R_{п}K_{н} \over R_{кр}+R_{п}}$$

$$K_{кр}={36,643 \times 0,916 \over 22,356+36,643}=0,569$$

Теперь можно определить расчетное смещение кровли:

$$U_{кр}={U_{пр} \over 1000}K_{кр}$$

$$U_{кр}={1356 \over 1000}0,569 = 0,771 \:м$$

Рассчитываем высоту свода расслоившихся пород в метрах:

$$h_{c}={U_{кр(o)} \over 0,5}$$

$$h_{c}={0,771 \over 0,5} = 1,543 \:м$$

$$1,543 \:м > 0,2B_{пр} = 0,2 \times 6,45 = 1,29 \:м$$

Окончательно принимаем для всего срока эксплуатации выработки высоту свода расслоившихся пород 1,543 м.

Теперь можно определить вес пород в килоньютонах, формирующий нагрузку на 1 м крепления выработки:

$$P={2 \over 3}B_{пр} \gamma h_{c}$$

$$P={2 \over 3}\times 6,45 \times 25 \times 1,543 = 165,846 \:кН/м$$

Влияние динамического проявления горного давления характеризуется коэффициентом динамичности К_Д, который определяют согласно таблице.

В подготовительных выработках в случае проведения в массиве угля или пород окончательно вес пород принимают:

$$P=2 \times 165,846 = 331,692 \:кН/м$$

Рассчитаем плотность установки крепи по несущей способности двух деревянных стоек Ø20 см. Согласно УДК 622.281.5:624.046 сопротивление такой стойки составляет 200 кН. Тогда:

$$n={P \over P_{кр}} = {331,692 \over 2 \times 200} = 0,83 \:рам/м$$

Из опыта проведения и крепления окончательно принимаем плотность установки крепи 2 рам/м из СВП-27 и рудстоек Ø20 см с податливостью до 500 мм.

Определим смещение пород в выработке на расстояниях от забоя равных 5, 10 и 20 м.

Для 5 м:

$$\varepsilon ={0,92 \times 5 \over 28+5} = 0,139$$

$$U_{o}=0,771 \times 0,139 = 0,11 \:м$$

$$h_{c}={0,11 \over 0,5} = 0,22 \:м$$

$$P={2 \over 3}\times 6,45 \times 25 \times 0,22 \times 2 = 47,3 \:кН/м$$

Прогиб верхняка из СВП-27 для крепи плотностью 2 рам/м составит:

$$f={5 \over 384}{47.3 \times 580^{4} \over 2 \times 10^{8} \times 646,1}{1 \over 2} = 0,27 м$$

Для 10 м:

$$\varepsilon ={0,92 \times 10 \over 28+10} = 0,242$$

$$U_{o}=0,771 \times 0,242 = 0,187 \:м$$

$$h_{c}={0,187 \over 0,5} = 0,373 \:м$$

$$P={2 \over 3}\times 6,45 \times 25 \times 0,373 \times 2 = 80,3 \:кН/м$$

Прогиб верхняка из СВП-27 для крепи плотностью 2 рам/м составит:

$$f={5 \over 384}{80,3 \times 580^{4} \over 2 \times 10^{8} \times 646,1}{1 \over 2} = 0,46 м$$

Для 20 м:

$$\varepsilon ={0,92 \times 20 \over 28+20} = 0,383$$

$$U_{o}=0,771 \times 0,383 = 0,296 \:м$$

$$h_{c}={0,296 \over 0,5} = 0,591 \:м$$

$$P={2 \over 3}\times 6,45 \times 25 \times 0,591 \times 2 = 127,1 \:кН/м$$

Прогиб верхняка из СВП-27 для крепи плотностью 2 рам/м составит:

$$f={5 \over 384}{127,1 \times 580^{4} \over 2 \times 10^{8} \times 646,1}{1 \over 2} = 0,72 м$$

Сведем полученные значения в таблицу

Для полученных значений горного давления принимаем составной верхняк смешанной крепи, который позволит сократить прогиб верхняка.