Крепь предназначена для защиты рабочей зоны (призабойного пространства) от обрушения окружающих пород.
Крепь подразделяют: по виду связей между структурными элементами — на индивидуальную и механизированную; по месту установки — на лавную крепь (для крепления очистной выработки) и крепь сопряжения (устанавливается в местах сопряжения лавы со штреками — горизонтальными подземными выработками) [34-36].
Индивидуальная крепь. Индивидуальная крепь состоит из следующих элементов: призабойной и посадочной стоек и верхняка. Стойки выполняют двух типов: стойки трения (рис. 6.2.19) и гидравлические стойки (рис. 6.2.20).
Стойку трения предварительно устанавливают с помощью распорного клина. При опускании кровли происходит самозатяжка выдвижной части и сопротивление стойки возрастает до рабочего значения. Стойка разгружается выбивкой клина.
Раздвижку и распор гидравлической стойки осуществляют ручным насосом. Разгрузку стойки выполняют разгрузочным устройством.
В табл. 6.2.7 приведены технические характеристики стоек.
Основным показателем стоек крепи является рабочая характеристика (рис. 6.2.21), т.е. зависимость рабочего сопротивления (реактивной силы трения) или давления в гидравлической стойке, соответствующих величине горного давления, от просадки выдвижной части стойки.
При выборе крепи следует в первую очередь оценивать ее соответствие основным горно-геологическим факторам: мощности и углу падения пласта, геологическим нарушениям, горному давлению [39].
Механизированные крепи классифицируются по следующим признакам:
- по функциональному назначению: поддерживающие, поддерживающе-оградительные, оградительно-поддерживающие и оградительные (рис. 6.2.22);
- по структурной схеме: комплектные (рис. 6.2.23) и агрегатированные (рис. 6.2.24).
Крепи поддерживающего типа (рис. 6.2.22, а) обеспечивают устойчивость пород кровли над рабочим пространством в лаве и управление кровлей полным обрушением за поддерживающей частью крепи.
Крепи оградительного типа (рис. 6.2.22, б) выполняют функцию защиты рабочего пространства от проникновения в него обрушенных пород кровли и не обеспечивают сохраняют устойчивого состояния пород кровли [39].
У крепей оградительно-поддерживающих и поддерживающе-оградительных (рис. 6.2.22, в, г) более развиты оградительные и поддерживающие элементы соответственно, что дает возможность увеличивать размеры рабочего пространства и обеспечивать более свободный проход для рабочих.
В агрегатированных крепях секции крепи соединяются (агрегатируются) с забойным конвейером посредством домкратов передвижки.
В табл. 6.2.8 приведены характеристики лавных крепей, в табл. 6.2.9 — крепей сопряжения.
Выбор параметров и основы расчета механизированных крепей. Важнейшими параметрами механизированной крепи, определяющими процесс ее взаимодействия с боковыми и обрушенными породами, являются: рабочее сопротивление (сопротивление поддерживающей части); сопротивление посадочного ряда; коэффициент начального распора; средний подпор при передвижке; коэффициент затяжки кровли; коэффициент затяжки ограждения со стороны выработанного пространства; коэффициент гидравлической раздвижности; шаг передвижки крепи; минимальная конструктивная высота.
На выбор основных параметров, конструктивных схем и конструкторских решений при создании механизированных крепей, на эффективность их работы влияет множество горно-геологических, горно-технических и технических факторов, а также требования безопасности.
Взаимодействие крепи со вмещающими породами в основном оценивают состоянием кровли, ее опусканием, податливостью стоек крепи и скоростью податливости, начальным распором и сопротивлением крепи [24].
Контактное взаимодействие механизированной крепи с кровлей, с одной стороны, зависит от степени устойчивости кровли, а с другой — от совершенства конструктивного решения механизированной крепи и технических приемов крепления. Оценку совершенства механизированных крепей по степени состояния кровли можно проводить по сопротивляемости вы вал ©образованию (способности крепи не допустить образования вывалов при взаимодействии с кровлей различной склонности к вывалам), что выражает степень совершенства конструкции и технологических приемов удержания нижних слоев непосредственно кровли [14].
Сопротивляемость крепи вывалообразованию зависит главным образом от сопротивления крепи, скорости ее просадок, величины
некрепленой полосы у забоя, степени затяжки кровли, относительной скорости крепления, отставания крепления от выемки и т.д.
В качестве обобщенных характеристик взаимодействия приняты зависимости опускания кровли от сопротивления крепи. Комплексными показателями, связывающими параметры проявления горного давления с параметрами крепи, являются [4] следующие:
1) работа, совершаемая силами, действующими в элементах стоек крепи, в процессе взаимодействия крепи с боковыми породами в течение цикла, которую вычисляют по формуле
2) работа, совершаемая в процессе взаимодействия крепи с боковыми породами в течение цикла и выражаемая через податливость стоек крепи, которую определяют аналогичным образом, но вместо опускания кровли принимают податливость стоек крепи;
3) мощность сил взаимодействия крепи с боковыми породами в течение цикла, равная
Общеизвестно [14], что взаимодействие крепи с массивом происходит в локальной области над очистной выработкой. Опускание кровли сдерживается призабойной частью массива и обрушенными в завал разрыхленными породами либо, например, когда кровля в зоне очистных работ разбивается на слои и блоки несущей способностью крепи. При выборе сопротивления крепи основной задачей является останов движения не всей кровли, а только ее части в районе очистной выработки до удержания кровли в связном состоянии. Этим уменьшается работа крепи в разгруженных стойках.
Оптимальным сопротивлением крепи считают такое сопротивление, при котором суммарная работа сил в элементах стоек по поддержанию кровли минимальна.
Нижняя граница необходимого сопротивления крепи составляет 0,3...0,5 МПа в диапазоне минимальной высоты крепи в сдвинутом положении 450...2500 мм. При этом максимальному значению высоты соответствует большее значение рабочего сопротивления.
Рабочее сопротивление крепи для средней по нагрузочным свойствам кровли в диапазоне мощности пластов 1...4м должно составлять 0,45...0,85 МПа, а для тяжелой в том же диапазоне мощности быть равным 0,7... 1,3 МПа. Для пластов большей мощности сопротивление должно увеличиваться.
Нижняя граница сопротивления посадочного ряда Рп р составляет 500...800 кН/м в диапазоне минимальной высоты крепи в сдвинутом состоянии 450...2500 мм.
Механизированные крепи, предназначенные для эксплуатации на пластах со средней и тяжелой по нагрузочным свойствам кровлей, должны характеризоваться большими значениями Рп р, которые для пластов с тяжелыми кровлями равны 1100... 1300 кН/м.
На основе проведенных исследований была выявлена зависимость рационального сопротивления от мощности пласта для различных типов крепей, графическая интерпретация которой представлена на рис. 6.2.25.
Вместе с тем, к повышению сопротивления механизированных крепей необходимо подходить строго обоснованно, так как, во-первых, в типичных условиях эксплуатации существенное повышение сопротивления не дает заметного снижения величины опускания кровли и, во-вторых, это направление ограничено экономическими соображениями, поскольку возрастание сопротивления крепи ведет к резкому увеличению ее массы и стоимости.
Оптимальное значение коэффициента начального распора находится в пределах 0,6...0,9. Повышение начального распора обеспечивает приближение фактического сопротивления механизированной крепи к рабочему, положительно сказывается на быстродействии предохранительных клапанов, что важно при динамических воздействиях кровель на крепь.
Существенное влияние на общее сопротивление крепи оказывает остаточный подпор секций при передвижке.
Значение подпора следует выбирать из условия поддержания кровли не менее половины мощности пласта и не менее 0,5 м по зависимостям
Известно, что даже в одном столбе горно-геологические параметры массива могут меняться случайным образом, поэтому точно предвидеть состояние взаимодействия не представляется возможным. Естественно, что неопределенность взаимодействия тем больше, чем на более длительный период отработки лавы прогнозируется взаимодействие. По мере под-вигания забоя проявляется многовариантность взаимодействия и, как следствие, выбора решений управляющего воздействия на систему крепь-породы.
В результате многообразия типов механизированных крепей, их силовых и кинематических параметров, а также разнообразия гор-
но-геологических условий появляется большое количество возможных ситуаций принимаемых решений.
В работах [17, 18] предложено использовать критерий адаптации для оценки оптимальности принимаемых решений, позволяющий измерять степень соответствия двух взаимодействующих систем. Физический смысл этого критерия выражает вероятность соответствия параметров крепи параметрам массива. Принимая во внимание случайный характер пересекающихся параметров, для увеличения критерия адаптации взаимодействующих систем необходимо в первую очередь сближать значения математических ожиданий данных параметров.
На рис. 6.2.26 приведены конструктивные схемы адаптивных крепей.
Определение необходимого типоразмера механизированной крепи. С достаточной для практики степенью точности исходя из фактической мощности пласта в пределах выемочного поля с учетом ее колебаний, величин опускания кровли над передним и задним рядами гидростоек и необходимого запаса раздвижности крепи, минимальная и максимальная высоты крепи могут быть определены следующим образом:
