Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Динамические и статические нагрузки на крепь Состояние вопроса 16
1.1. Результаты теоретических исследований нагрузок на шахтную крепь 17
1.2. Измерения нагрузок на механизированную крепь в условиях промышленной эксплуатации 36
1.3. Испытания шахтных крепей на динамические нагрузки 44
1.4. Постановка задачи 51
Глава 2. Методические основы экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления - 55
2.1. Измерительная и регистрирующая аппаратура 56
2.2. Предварительные исследования реакции гидростойки крепи на ударные нагрузки. Калибровка аппаратуры 66
2.3. Параметры динамического нагружения крепи 73
2.4. Принципы экспериментальных исследований динамических проявлений горного давления в шахтных условиях 84
Глава 3. Теоретические основы расчета консервативной упруго-пластической системы «кровля - крепь» 87
3.1. Основные положения 87
3.2. Определение критических пролётов кровли и некоторых параметров нагружения шахтной крепи 90
3.3. Характеристики динамической системы «кровля - крепь»... 108
3.3.1. Жёсткость системы 115
3.3.2. Анализ уравнений движения системы «кровля — крепь» 120
3.3.3. Анализ значений динамического коэффициента от характера изменения нагрузки 127
3.3.4. Внецентренная динамическая нагрузка 143
3.4. Запаздывание деформаций гидроцилиндра стоек при динамических нагрузках 146
Глава 4. Исследование и анализ динамических нагрузок на крепь в шахтных условиях и их последствия 155
4.1. Методические основы экспериментов 156
4.2. Нагрузки при отсутствии выемки угля 164
4.3. Нагрузки при ведении очистных работ 174
4.4. Проявления горного давления в забоях сланцевых шахт 184
4.4.1. Влияние буровзрывных работ 186
4.4.2. Первичная осадка основной кровли 190
4.4.3. Металлографический анализ причин разрушения гидростойки 196
4.5. Анализ и обобщение результатов шахтных исследований 203
Глава 5. Исследования и анализ динамических характеристик шахтной крепи в стендовых условиях 210
Глава 6. Результаты сопоставления расчетных и экспериментальных характеристик системы «кровля - крепь» в условиях динамических нагружений 233
6.1. Динамические характеристики системы «горные породы -крепление» при землетрясениях 233
6.2. Расчет реакции механизированной крепи при ^ динамическом нагружений со стороны кровли 235
Заключение 248
Список литературы 252
Приложение 265
- Измерения нагрузок на механизированную крепь в условиях промышленной эксплуатации
- Предварительные исследования реакции гидростойки крепи на ударные нагрузки. Калибровка аппаратуры
- Определение критических пролётов кровли и некоторых параметров нагружения шахтной крепи
- Проявления горного давления в забоях сланцевых шахт
Введение к работе
Актуальность проблемы. При анализе аварий в очистных забоях, сопровождаемых разрушением механизированных крепей, работающих в условиях труднообрушаемых кровель (Германия, Чехия, Польша, Россия, Украина, Казахстан), чаще всего идет речь о неправильно выбранных силовых параметрах крепи (прежде всего, ее несущей способности) и необходимости увеличивать рабочее сопротивление секций крепи или применять предварительное разупрочнение пород основной кровли методом гидроразрыва, торпедированием и т.п. Поэтому в Российской Федерации и за рубежом проводились и проводятся работы по созданию стоечных предохранительных систем адаптации, которые смогли бы снизить высокое давление в стойках при ударных нагружениях крепей и предотвратить их разрушение. Для проверки таких систем и исследования процессов взаимодействия пород кровли с крепями созданы специальные стенды, которые должны в полной мере имитировать параметры силовых, кинематических и динамических воздействий кровли на крепь в условиях резких осадок. С этой же целью проводились и проводятся теоретические и экспериментальные исследования шахтных крепей в Польше, Чехии, Германии, Венгрии и России.
Начиная с 70-х годов XX столетия, в ИГД им. А.А.Скочинского велись широкие теоретические и экспериментальные работы по изучению динамических явлений, возникающих при взаимодействии крепей с породами кровли как в период выполнения технологических операций по выемке угля, так и при первичных и периодических осадках пород основной кровли. В результате выполненных работ установлено, что не только физико-механические свойства пород кровли, но и динамические характеристики системы «кровля - крепь» в период резких осадок являются значимыми при оценке безопасности эксплуатации шахтных гидрофицированных крепей, особенно с учетом кратковременного характера нагрузки. Было выявлено также, что существующие и даже нормированные методы экспериментальной оценки динамических свойств механизированных крепей не в полной мере отражают реальные условия взаимодействия системы «кровля - крепь» в период резких осадок. Было установлено, что условия стендовых испытаний гидростоек и секций.-крепей для оценки их отклика на внезапные нагрузки и оценка их динамических характеристик, а также фактические силы, действующие в период этих воздействий, включая их динамическую составляющую, практически не адекватны реальным условиям, сопровождающим резкие осадки.
Актуальность разработки теоретических основ динамического взаимодействия пород кровли и шахтной механизированной крепи как
реаКЦИИ ДефорМИруеМОГО Объекта На Урятупъргыр-ииу^ Интрнгитгуіг.
' РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С. Петербург 09 Ю05«^7^
нагрузку определяется комплексом рассматриваемых проблем: необходимость прогноза величины кратковременных максимальных силовых нагрузок, которым будет подвергаться крепь при эксплуатации в условиях труднообрушаемых кровель, и установлением обоснованных запасов прочности секций с гидроэлементами их силовой гидравлики.
В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии в ИГД им. А.А. Скочинского, на стендах ЦНИИСКа им. Н.П. Кучеренко (г. Москва) и СибНИА им. С.А.Чаплыгина (г. Новосибирск), а также на шахтах Донецкого угольного бассейна, треста «Ленинградсланец» (г. Сланцы) и комбината «Эстонсланец» (г. Кохтла-Ярве). Работы выполнялись по отраслевым планам Минуглепрома СССР, контрактам Минтопэнерго России и по договорам с машиностроительными заводами, а также в рамках научно-технического сотрудничества с организациями Венгрии и Болгарии.
Цель работы. Разработка теоретических основ динамического взаимодействия механизированной крепи с породами кровли в условиях упруго-пластических деформаций для повышения эффективности и безопасности ведения очистных работ.
Идея работы заключается в учете динамической составляющей при взаимодействии боковых пород и крепи на основе использования характеристик колебательной консервативной системы «кровля - крепь» при определении закономерностей движения масс этой системы.
Задачи исследований:
-
проанализировать теоретические и экспериментальные работы в области взаимодействия шахтных механизированных крепей с породами кровли в период динамических проявлений горного давления;
-
разработать и научно обосновать закономерности динамического взаимодействия системы «кровля - крепь» и теоретически корректно оценить и описать фронт изменения нагрузки на крепь в функции времени;
-
разработать методологические основы проведения комплексных экспериментальных (шахтных и стендовых) исследований крепей, позволяющие проводить полномасштабные измерения их динамических параметров во всем диапазоне скоростей и ускорений;
-
провести комплекс экспериментальных шахтных и стендовых исследований по изучению количественных показателей динамического взаимодействия системы «кровля - крепь»;
-
сформулировать критерии проверки динамических свойств гидростоек механизированных крепей применительно к задачам
подтверждения их применимости в условиях динамических воздействий в период их эксплуатации.
Методы исследований. В работе использован метод исследований, включающий обработку и системный анализ информации, теоретический анализ физических процессов, стендовые и шахтные исследования с использованием высокоточной измерительной техники.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1) закономерность формирования нагрузок на крепь, превышающих
несущую способность крепи, при обрушении пород кровли за время,
соизмеримое с периодом собственных колебаний системы «кровля -
крепь»;
2) метод определения динамического коэффициента системы
«кровля - крепь», основанный на вычислении нагрузок и перемещений с
момента начала обрушения пород, в течение всего времени действия силы,
соотнесенного с периодом собственных колебаний рассматриваемой
системы;
-
метод моделирования динамической нагрузки на крепь, заключающийся в нагружении гидростойки крепи массой, соответствующей ее несущей способности, с обеспечением коэффициента динамичности не более двух при неупругом ударе;
-
статическое нагружение и податливость гидростоек шахтной механизированной крепи, предшествующие появлению первичной осадки основной кровли, вызываются её линейной деформацией как защемленной балки под собственным весом в плоском напряженном состоянии;
* 5) закономерность движения упруго-деформируемой системы
механизированной крепи в функции времени при резких осадках кровли
определяется суммарной жесткостью гидростоек крепи и значением
, величины их номинального сопротивления.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректным использованием аппарата теории
колебаний теоретической механики и теории испытаний;
использованием комплекса экспериментальных методов, позволивших получить статистически обоснованную, достоверную информацию о процессах взаимодействия кровли и механизированной крепи в условиях динамических нагрузок при выполнении технологических операций и в период резких осадок кровли;
- согласованностью результатов теоретических расчетов со стендовыми и шахтными экспериментами, проведенными с применением высокоточной измерительной и регистрирующей аппаратуры по методике, разработанной автором.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретически обоснованы основные закономерности
динамического взаимодействия механизированных крепей с породами
крепи, вызываемого кратковременными интенсивными воздействиями в
период первичных осадок кровли;
установлена взаимосвязь между параметрами шахтной механизированной крепи и физико-механическими свойствами пород кровли, определяющая динамические характеристики системы «кровля-крепь»: частоту и период колебаний;
установлена закономерность формирования внешних нагрузок, превышающих несущую способность крепи при обрушении пород кровли за время, соизмеримое с периодом собственных колебаний консервативной системы «кровля - крепь»;
сформулированы основные принципы, и разработана методология исследований динамического взаимодействия шахтной крепи с боковыми породами и требования к измерительным системам, что позволило провести измерения быстропротекающих процессов в режиме реального времени.
научно обоснованы закономерности формирования динамической нагрузки на механизированную крепь во времени, функциями которой являются
f(t) = 1, f(t) == t/т, f (t) = sirart/т, f(t) = 2t/x, f (t)= 1/2(1- cos2iuJx).
Это позволило реализовать и повторить эти нагрузки в реальных условиях;
- установлено, что динамический коэффициент, характеризующий
увеличение нагрузок на крепь и смещений её податливых узлов при
кратковременных воздействиях в реальных условиях, имеет величину не
более х =1,8-1,9.
Практическое значение диссертации:
- разработаны официально принятые нормативные документы по
оценке параметров механизированных крепей и их гидроэлементов с
учетом их работы в условиях динамических нагрузок;
- разработана методология расчетов по определению кинематических,
силовых и динамических параметров механизированных крепей в период
резких осадок кровли, результаты которых устойчиво согласуются с
результатами измерений, с ошибкой не более 15%, подтверждая
корректность принятых допущений и справедливость концепции расчёта
динамических характеристик системы «кровля - крепь» в диапазоне
мощности пластов основной кровли 10-60 м при удельном сопротивлении
секции крепи от 0,3 до 1,5 МПа;
- разработаны методологические основы и рабочие методики
экспериментальных исследований динамических проявлений горного
давления в очистных забоях и его имитация в стендовых условиях. Проведенные на их основе исследования позволили определить количественные значения максимальных скоростей и частот собственных колебаний системы «кровля - крепь» в режиме реального времени. Подтверждено, что в условиях очистного забоя динамический коэффициент системы не превышает % = 1,8-1,9;
- разработана модель взаимодействия системы механизированной крепи и вмещающих пород в условиях их хрупкого разрушения с целью определения возможности безаварийной работы крепи при динамическом воздействии в конкретных горно-геологических условиях;
разработан, апробирован, запатентован и применяется отечественными и зарубежными учеными способ динамических испытаний гидростоек механизированных крепей и их элементов. Способ позволяет создавать кратковременные нагрузки, адекватные действующим в шахтных условиях по энергии воздействия, закону изменения силы во времени и значению динамического коэффициента.
Реализация результатов работы. На основании выполненных исследований под руководством и при участии автора разработаны следующие нормативные и методические документы:
ГОСТ Р 51669-2000. Стойки призабойные гидравлические. Методы испытаний. Крепи механизированные. Клапаны предохранительные. Общие технические требования. Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта РФ от 21.11.2000 г., № 306-ст.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для пологих и наклонных пластов / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.07.1990 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания механизированных крепей для крутых пластов / Типовая программа и методика. М, 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.1992 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания стоек призабойных гидравлических / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Утверждена Комитетом угольной промышленности Минэнерго РФ. Введена с 01.07.93 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания гидравлических стоек механизированных крепей / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с
ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.03.92 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидроклапаны предохранительные / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1992 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения.
Сертификационные испытания. Крепи механизированные. Гидрозамки
односторонние / Типовая программа и методика. М., 1990. Согласована с .
ВНИИНмашем Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.1993 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения.
Сертификационные испытания. Крепи механизированные.
Гидрораспределители / Типовая программа и методика испытаний. М., 1993. Согласована с ВНИИНмашем. Утверждена Комитетом угольной промышленности Минтопэнерго РФ. Введена с 01.07.94 г.
Система сертификации изделий угольного машиностроения. Сертификационные испытания. Рукава высокого давления с концевой неразборной арматурой / Типовая программа и методика. М., 1991. Согласована с ВНИИСом Госстандарта СССР. Утверждена ГНТУ Минуглепрома СССР. Введена с 01.01.93 г. и 04.01.94 г.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях
Минуглепрома СССР (1982-1990 гг.), на секциях и заседаниях Ученого ,
совета ИГД им. А.А. Скочинского, а также на всесоюзных, национальных
и международных научно-технических конференциях: IV Всесоюзном
семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми
породами" (Новосибирск, 1984 г.); VIII Всесоюзной конференции по *
механике горных пород (Тбилиси, 1985 г.); V Всесоюзном семинаре "Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами" (Новосибирск, 1986 г.); V Национальной конференции по гидравлике и пневматике (Болгария, 1988 г.); Международном симпозиуме "Горные удары и внезапные выбросы в шахтах: теоретическое обоснование, прогнозирование, предупреждение и обеспечение защиты" (Санкт-Петербург, 1994 г.); Международной конференции по горному делу (Польша, 1998 г.); Международной конференции «Проблемы механизации горных работ до 2010 г.» (Польша, 2002 г.).
Публикации. Основные положения и выводы диссертационной работы изложены в 43 печатных работах, включая 3 монографии, 9 нормативных документах, 23 российских и зарубежных авторских свидетельствах и патентах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Изложена на 332 страницах машинописного текста, включая 97 рис., 15 таблиц, список принятых обозначений на 3 стр., список использованной литературы из 101 наименования и 1 приложения на 67 страницах.
Автор искренне признателен научному консультанту академику РАН Е.И.Щемякину за высокопрофессиональные советы и содействие при подготовке диссертации, а также выражает большую благодарность к.т.н. Ю.Л.Шахмейстеру, вместе с которым были проведены все многолетние шахтные исследования и осуществлена динамическая калибровка измерительно-исследовательского комплекса.
Измерения нагрузок на механизированную крепь в условиях промышленной эксплуатации
Ведущими организациями, занимающимися исследованиями в шахтах проявлений горного давления (в том числе и динамических) и их последствий при работе механизированных крепей, являлись ВНИМИ и ИГД им. А.А.Скочинского [16, 17]. В этих работах участвовали также ДонУГИ, КузНИУИ и КНИУИ.
Начиная с 30-х и вплоть до 70-х гг. XX века основными средствами измерений опускания кровли являлись раздвижные стойки типа СУИ-П, которые модернизировались и оснащались барабанными часовыми механизмами с тем, чтобы регистрировать смещения пород кровли и гидростоек крепи во времени.
Точность самопишущих приборов определялась величиной масштаба записи и позволяла регистрировать смещения при масштабе 2:1 до 0,5 мм (имеется в виду, что реально можно различить запись по оси абсцисс и ординат размером свыше 1 мм).
Минимально зарегистрированный отрезок времени определяется в этом случае скоростью вращения барабана часового механизма. Применялись лентопротяжные механизмы часового типа АД-Д и Х20.21.003, причем первый обеспечивает наибольшую линейную скорость протяжки ленты 105 мм/ч, а второй - 420 мм/ч. Таким образом, минимальное время, которое можно зарегистрировать самописцами с часовым механизмом, составляет 0,15-0,5 мин.
Многие исследователи использовали также индикаторы часового типа с ценой деления 0,01мм, которые устанавливались на измерительную стойку. В этом случае их показания записывались экспериментатором через 10-30 с. Средства измерений и результаты, полученные при их применении, подробно описаны в работе [8]. В последние годы, характеризующиеся расширением области применения механизированных крепей, включая так называемые трудноуправляемые кровли, потребность в изучении динамических проявлений горного давления стала чрезвычайно велика. Такие институты, как ВНИМИ, КНИУИ и КузПИ, стали создавать специальные приборы для изучения кратковременных проявлений горного давления. Основное требование, предъявлявшееся к этим приборам, - это возможность регистрации сдвижения пород кровли и выдвижных частей гидростоек в короткий промежуток времени, исчисляемый долями секунды.
ВНИМИ разработан самописец для регистрации смещений при резких осадках кровли СА-18 с электроприводом, который обеспечивает скорость вращения барабана от 2 до 60 об/мин, что составляет максимальную линейную скорость движения регистрирующей ленты около 220 мм/с. Если учесть, что максимально возможный масштаб записи перемещения составляет 5:1, то минимальный отрезок времени, в течение которого можно зарегистрировать сдвижение кровли с помощью самописца СА-18, составит около 0,005 с.
В этот период с помощью этого прибора Н.М.Садыковым зарегистрированы существенные силовые воздействия пород кровли на крепь, вызванные не только значительными нагрузками, но и сопровождающими их высокими скоростями опускания кровли, равными 0,1-0,12 мс"1 [18].
Кроме того, ВНИМИ был разработан регистратор случайных импульсных процессов ЕГ8, предназначенный для автоматической записи импульсных колебаний давления на магнитную ленту. Аппаратура ЕГ8 может работать как с частотными, так и с аналоговыми датчиками и регистрирует кратковременные процессы общей продолжительностью не более 15с или три отдельных процесса по 5 с каждый. Время непрерывной работы от автономного источника питания равно 5 ч. Аппаратура массой 60 кг состоит из блока-регистратора САЗЗ и блока-управления СП13, соединенных кабелем. Принцип действия автоматического регистратора основан на преобразовании выходного напряжения датчиков в частотно-модулированный сигнал (ЧМ) с последующей записью на магнитную ленту. Он может работать в режимах: записи аналогового сигнала, записи частотного сигнала и воспроизведения.
В режиме воспроизведения сигнал с магнитной головки поступает на предварительный усилитель, а затем — на вход демодулятора. Сигнал от демодулятора усиливается по мощности, после чего может быть использован для исследования с помощью шлейфного осциллографа или других анализирующих приборов.
Блок-регистратор САЗЗ представляет собой измерительный четырехканальный магнитофон с автоматическим управлением процесса записи сигналов с датчиков. Кинематическая схема магнитофона представляет собой накопитель магнитной ленты типа «роликовый лабиринт», позволяющий увеличить длину бесшовной ленты, и замкнутую рабочую зону с установленной в ней магнитной головкой. Рабочая зона прибора представляет собой специальный вал, приводящийся в движение от двигателя с помощью ременной передачи, и два прижимных ролика на входе и выходе магнитной ленты. Блок питания состоит из 12 аккумуляторов. Выходы электрических цепей из взрывобезопасной оболочки осуществлены через блок искрозащиты, представляющий набор резисторов, ограничивающих ток возможного короткого замыкания до искробезопасного значения. Блок управления снабжен ремнями для переноски и предохранительной крышкой, защищающей элементы лицевой панели. Вскрывать блоки аппаратуры ЕГ8 в шахтах запрещается.
Аппаратура была опробована в лаве шахты «Зиминка». При этом ставилась цель исследовать динамические нагрузки на гидравлические стойки механизированного комплекса КПК. Регистрация динамических нагрузок велась с помощью тензометрического моста, наклеенного на шток гидростойки. В период шахтных исследовании динамических проявлении горного давления в виде резких осадок кровли зарегистрировано не было. Аппаратура регистрировала незначительную вибрацию работающего комплекса, которая не превышала порога, установленного для регистрации ожидаемого динамического процесса.
Было установлено, что аппаратура ЕГ8 позволяет получать данные о динамических нагрузках случайного характера. Одновременно шахтные испытания вскрыли некоторые недостатки аппаратуры ЕГ8, главным из которых является неудобство эксплуатации, связанное с периодической заменой источников питания, что, в конечном счете, приводит к увеличению вероятности пропуска случайного процесса.
В Кузбасском политехническом институте был создан прибор СРСК специально для регистрации резких осадок кровли. Он представляет собой две подпружиненные сбалансированные массы; на одной из них находится бумага, а на другой установлено перо. При резкой осадке кровли эти массы совершают колебательные движения во взаимно перпендикулярных плоскостях, и таким образом осуществляется регистрация процесса.
Рассмотренные приборы автономны и позволяют вести длительные наблюдения за проявлениями горного давления. Как показал опыт их использования, они с достаточной точностью в состоянии зарегистрировать величину податливости выдвижной части гидростойки или боковых пород при динамических проявлениях горного давления.
Предварительные исследования реакции гидростойки крепи на ударные нагрузки. Калибровка аппаратуры
Известно, что при испытаниях объектов на динамические нагрузки существуют два принципа действия ударных стендов [32]:
первый тип - стенды, действие которых основано на принципе торможения предварительно разгоняемого тела;
второй тип — стенды, действие которых базируется на принципе разгона тела.
Исходя из принципа работы шахтных механизированных крепей, которые воспринимают нагрузку боковых пород и где при определенных горно-геологических условиях эксплуатации возникают экстремальные нагрузки, а также, учитывая опыт эксплуатации отечественных и зарубежных стендов (см. раздел 1.3), был принят второй тип ударного стенда, где внешняя нагрузка на гидростойку создавалась специальным устройством с заданными силовыми характеристиками. Следует подчеркнуть, что для исследований только стоечных предохранительных клапанов применяется специальный стенд [33 ]. Динамический стенд ЦНИИСК им. Н.С.Кучеренко был использован для отработки методики проведения шахтных исследований проявлений горного давления в условиях быстропротекающих процессов и для динамической калибровки измерительной аппаратуры.
Стенд, как показано на рис. 2.4, состоит из жесткой рамы, смонтированной на бетонном фундаменте, где установлен нагрузочный гидроцилиндр, соединенный через трубопровод и специальный вентиль с гидроаккумуляторами. Испытываемая гидростойка устанавливается и распирается с заданным усилием между нагрузочным гидроцилиндром и рамой.
Первоначально аккумуляторы заряжаются с помощью насосной установки стенда при закрытом вентиле. При достижении в аккумуляторах заданного давления, определяющего энергию нагружения, вентиль открывается, и энергия, запасенная в аккумуляторе, передается нагрузочному гидроцилиндру, который и воздействует на гидростойку. Изменение энергии удара и скорости нагружения осуществляется изменением давления в аккумуляторе и временем открытия вентиля.
Емкость двух аккумуляторов стенда, заполненных минеральным маслом, составляет 400 л, диаметр поршня нагрузочного гидроцилиндра равен 300 мм.
Ниже приведены значения запасенной энергии А для различных давлений р:
При сжатии стойки реализуется только часть этой энергии, которую без учета динамики движения поршня в цилиндре и жидкости в подводящем трубопроводе можно подсчитать по формуле У А 2 V где р — давление зарядки аккумуляторов; FA - площадь поршня цилиндра аккумулятора; Н - ход поршня; Ем - модуль упругости минерального масла; V — объем аккумуляторов. Эта энергия в общем случае затрачивается на сжатие гидростойки до срабатывания предохранительного клапана и затем на ее прожатие при постоянном давлении. Работа сжатия Асж выражается следующей зависимостью: дер - давление распора; Ар- повышение давления; Н - величина раздвижности гидростойки.
При срабатывании стоечного предохранительного клапана, настроенного на номинальное давление р, затраченная работа составляет Ap = pHFAh.
Исследования проводились на гидростойке механизированной крепи М87. Крепь такого же типа в дальнейшем исследовалась в шахте. После каждого цикла исследований гидросистема стойки проверялась на герметичность [33, 34,35].
В поршневую полость стойки устанавливался датчик давления ДДИ-20, а на кронштейнах цилиндра был смонтирован датчик перемещения IMT402.
Сердечник датчика с помощью хомутов закреплен на плунжере стойки. На одном кронштейне с датчиком перемещения был закреплен датчик ускорения IB 102. На специальной плите, жестко связанной со стойкой, установлены сейсмометры С5С и ВБП-3. Общий вид стойки, оснащенной датчиками, показан на рис. 2.5.
В соответствии с разработанным методом была собрана измерительная система, блок-схема которой показана на рис. 2.1. Система включала в себя индикатор давления ИД-2И, усилитель 4D3, коммутирующую коробку, устройство задержки УЗ-2, пусковое устройство ПУ-1, осциллограф Н-117/1. Установка аппаратуры на монтажном столе показана на рис. 2.6.
Наиболее близкой к задаче измерения резких осадок кровли является задача регистрации сейсмических колебаний в ближней зоне при сильных землетрясениях с помощью регистрирующей аппаратуры ждущего типа. Опыт сейсмометрии показал, что для исключения потери первой фазы сигнала, несущей ценную информацию, необходимо заполнение процесса и егистрация его со сдвигом во времени, достаточным для автоматического ключения регистрирующей аппаратуры.
Определение критических пролётов кровли и некоторых параметров нагружения шахтной крепи
Если в рассматриваемых условиях труднообрушаемую кровлю представить как защемленную по периметру толстую упругую пластину, то для определения ее прогиба под действием сил собственного веса необходимо решить трехмерную пространственную краевую задачу. Численное решение такой задачи показывает, что для выработок прямоугольной формы, например кровли отрабатываемого столба до первой осадки, изолинии смещений расположены в виде эллипсов (см. рис. 1.1, 1.2 и 1.4), а величины наибольших опусканий кровли приходятся на среднюю часть лавы.
Для определения критических пролетов труднообрушаемых кровель в наиболее опасной средней части лавы рассматриваем защемленную по краям балку конечной ширины для случая первичной осадки и консольную балку также с распределенной нагрузкой при вторичных осадках кровли.
Принимаем первую гипотезу прочности [43], которая исходит из того, что разрушение материала при сложном напряженном состоянии наступает тогда, когда наибольшие нормальные напряжения достигают величины предельных значений при одноосном напряженном состоянии: где G\ — фактическое значение наибольшего главного напряжения; [а] - допустимое значение нормальных напряжений.
Учитывая, что максимальные допускаемые растягивающие напряжения ар для горных пород превосходят допускаемые сжимающие напряжения [5, 43], принимаем предельное зависание кровли зависящим от допустимой величины растягивающих напряжений для данной породы.
Такая задача была поставлена и решена В.Д.Слесаревым [5] и А.ІЬГерманом [44]. Авторами получена одинаковая зависимость между шагом первичной Li И вторичной Ьг осадки кровли: Li = 2,44L2. (3.4)
Это соотношение найдено, вероятнее всего, из рассмотрения задачи равенства изгибающих моментов для защемленной с двух сторон балки Мз и для консольной балки Мк, загруженных равномерно распределенной нагрузкой q:
Отличие расчетов А.П.Германа заключается в том, что коэффициент излома при изгибе он определял на основании прогибов «свода заделок» (п заделанных балок) и на предположении, что нагрузки на непосредственную кровлю передаются всеми надстилающими слоями кровли. Однако, по мере возрастания количества слоев вверх длина их пролета уменьшается в пределе до нуля, образуя по контуру свод заделанных балок. Вероятно, эта гипотеза может рассматриваться для тех условий, где высота свода заделок будет соизмерима с глубиной залегания пласта, тогда возможны так называемые «суперпервичные» осадки кровли, при которых вышележащие слои будут терять связность и вовлекаться в процесс неупругих деформаций по мере подвигания очистного забоя.
Рассмотренные теоретические основы расчета величины пролетов обрушающихся пород и критериев их устойчивости сохраняют актуальность и до настоящего времени [12, 45, 46], однако в этих расчетах не принимается во внимание наличие крепи в очистном забое, смещение нейтральной оси в блоке анизотропной породы и условное равенство прогибов балок.
Критические пролеты оцениваются нами по наибольшим растягивающим напряжениям МкрЬр Мкр аР -—г или стр —, (3.7) где Мкр — максимальный изгибающий момент от распределенной нагрузки веса кровли с учетом реакции крепи; hp — расстояние от нейтральной оси слоя основной кровли до наиболее удаленного растянутого волокна; Jx - момент инерции прямоугольного сечения рассчитываемого пласта кровли на единицу длины лавы; Wp - момент сопротивления растянутого слоя. Значение Мкр для консольно зависающей кровли в наиболее опасном сечении составляет MKp=q0L22/2 или М.Р = q0 L22/2Rr а;, (3.8) где qo - распределенная от веса нагрузка, отнесенная к ширине лавы, равная qo = yhKpb (3.9) (здесь у - объемный вес пород кровли; п,ф — мощность зависающего пласта кровли; b — ширина рассматриваемой балки); R.2 — равнодействующая реакции секции крепи; а,- — координата равнодействующей относительно наиболее опасного сечения. В данном расчете мы не рассматриваем следующих случаев:
1. Наличие слабой непосредственной кровли или слабой почвы и прочной основной кровли.
2. Наличие непосредственной кровли.
В первом случае механизированную крепь необходимо рассчитывать на критические нагрузки, возникающие от основной кровли, а рыхлость непосредственной кровли или почвы следует учитывать выбором ширины основания или перекрытия, чтобы предохранить опорные поверхности секции от вдавливания.
Во втором случае нет необходимости перегружать расчет малозначащим фактором наличия непосредственной кровли, так как шаг обрушения ее всегда меньше шага основной кровли, особенно перед ее первичной посадкой [45], и ее несущая способность не оказывает существенного влияния на устойчивость вышележащих слоев, за исключением случаев, когда мощность непосредственной кровли больше мощности основной кровли.
При определении расстояния hp необходимо учитывать разницу в предельных напряжениях растяжения и сжатия, существующую для горных пород, и связанное с этим смещение нейтральной оси. Согласно гипотезе плоских сечений, для изотропных материалов, где ар « асж, удлинения, укорочения и напряжения продольных элементов практически одинаковы по модулю и различны по знаку. Для анизотропных тел, где тр « стсж, удлинения и укорочения при одинаковых напряжениях не одинаковы [3], поэтому можно предположить, что, если распределение напряжений в растянутой и сжатой зонах балки происходит по линейному закону, то в связи с различными модулями упругости для растяжения и сжатия изменение нормальных напряжений пройдет по ломаной линии. Исходя из условий равенства моментов сжимающих и растягивающих сил, а также равенства сумм сжимающих Nc и растягивающих Np напряжений, можно записать
Проявления горного давления в забоях сланцевых шахт
Для Прибалтийского сланцевого района, находящегося на территории Ленинградской области России и Эстонии, характерна стабильность литологического состава карбонатных пород кровли и их практически горизонтальное залегание (от 010 до 015 ). Выдержанность состава вмещающих пород на всей его площади делает возможным обобщить материалы исследований в одной-двух лавах на весь район, оценить характер проявлений горного давления при наличии труднообрушаюпщхся пород кровли, зависающих на значительных площадях [83].
Основная монолитная кровля состоит из слоев скрытокристаллического известняка мощностью 40 м (прочность на сжатие ас» = 60 МПа, прочность на растяжение ар = 22 МПа), чередующегося с пропластками мергеля, модуль упругости пород Е = 3-107кН/м2.
Породы непосредственной кровли мощностью от 4 до 7,32 м сложены из чередующихся слоев известняков, мергелей, горючих сланцев и глин. Такой состав обуславливает ее достаточную устойчивость после выемки пласта сланца.
Глубина залегания промышленного пласта 75 м. Отрабатываемый пласт сланца мощностью 1,8-1,9 м имеет сложное строение, включающее прослойки суммарной мощностью до 0,6 м. Почва — плотный зеленовато-серый известняк.
Система разработки - длинностолбовая, спаренными лавами, раздельными целиками 7 х 60 м. Длина столба 670 м. Исследования проводились в лавах № 20305 и 20301 [84].
В лаве № 20305 длиной 102 м в ее средней части ( 65 м) была установлена двухстоечная крепь КГПК специальной конструкции с шагом расстановки секции 0,7 м и несущей способностью каждой секции = 2500 кН.
По краям лавы были установлены секции посадочной крепи «Спутник» несущей способностью 800 кН. Насосная станция СНТ-32 обеспечивала заданный начальный распор крепи 20-25 МПа.
Выемочный технологический цикл включал в себя подрубку пласта врубовой машиной, бурение шпуров в пласте по всей длине лавы на глубину 1,8 м, взрывание участками длиной 6-8 м, погрузку горной массы машиной 1ПНБ-2 на лавный конвейер СП-202, передвижку конвейера на шаг 0,8 м и подтягивание секций крепи, повторную передвижку конвейера и повторное подтягивание секций, а также установку стоек органной крепи вдоль штрека. Работы выполнялись одной бригадой, работающей в двух лавах одновременно.
Смежная лава № 20301 длиной 80 м была оборудована крепью «Спутник» со спаренными гидростойками, и технология работ по выемке сланца не отличалась от представленной выше. При проведении исследований проявления горного давления и взаимодействия крепи с боковыми породами в течение всех периодов технологического цикла в средней части лавы № 20301 была оборудована замерная станция, установленная на пяти линейных секциях крепи. Использовались индуктивные датчики давления ИД-2И, самописцы РДК и самопишущие манометры. Кроме того, измерялась конвергенция боковых пород двумя самописцами СА-18 (конструкции ВНИМИ), а также велась линия реперов. Показания датчиков давления регистрировались осциллографом. Давление начального распора 16-18 МПа (насосная станция СНУ-5), рабочее давление настройки предохранительных клапанов на измерительных гидростойках составляло 38-40 МПа [85].
Измерительная станция лавы № 20305 также была оборудована в средней ее части, где на четырех гидростойках были установлены датчики давления и два потенциометрических датчика перемещения типа ИС-375. Кроме того, осуществлялась непрерывная регистрация давления самопишущими манометрами и проводился визуальный контроль давления по стоечным индикаторам на 20 гидростойках.
Особенность проведенных исследований заключалась в том, что измерения проводились до и в период первичной посадки лавы, т.е. в начальный период полной устойчивости основной кровли и при значительных (до 12 м) зависаниях непосредственной кровли. Эти условия позволили получить экспериментальные данные о характере взаимодействия системы «кровля-крепь» при таких технологических операциях, как взрывные работы, двукратное перемещение секций крепи и вызываемое этими операциями обрушение непосредственной кровли, которое сопровождалось колебательными процессами [86].
Первичная осадка основной кровли и предшествующие ей явления, а также последующие проявления горного давления позволили получить количественные силовые динамические показатели, сопровождающие это явление.
Буровзрывные работы являются основным технологическим циклом при добыче сланца. Было сделано предположение, что они могут вызвать динамические проявления горного давления и ударные воздействия кровли на секции крепи.
Порядок проведения экспериментов был следующим. В шпур глубиной 1,8 м (КИШ = 0,8-0,85) и диаметром 32 мм закладывалось 0,6 кг аммонита ПЭВ-20. Шпуры пробуривали с интервалом 1,5 м по длине лавы и по два ряда — один под кровлей, другой - ниже на 0,5 м. Взрывали одновременно группу шпуров на длине 6-8 м с интервалами 5-10 мин. Взрывные работы велись либо от сборного, либо от вентиляционных штреков. В период проведения экспериментов было зарегистрировано 52 взрывания, включая взрывные работы на различном расстоянии от измерительных секций.
Анализ осциллограмм, регистрирующих проявления горного давления при кратковременном сотрясении забоя взрывом показал, что можно выделить три основные реакции гидростоек на это явление: - резкое уменьшение нагрузки на секцию крепи; - увеличение нагрузки на крепь; - колебательный затухающий процесс. Сопоставление результатов измерений и визуальной оценки состояния кровли в забое показало, что при зависании непосредственной кровли на длину 5-7 м после проведения взрывных работ наблюдается резкое падение давления в гидростойках секций крепи (рис. 4.25), достигающее 10-12 МПа при исходном давлении 25-30 МПа, что соответствует 40-50% несущей способности секции крепи.
