Введение
В соответствии с ГОСТ Р52152-2003 [1] среднее давление на почву пласта секцией крепи определяется как отношение сопротивления секции к площади её основания, контактирующей с почвой.
Однако, как показывает практика, при распоре секций крепи всегда имеет место смятие контактного слоя штыба и неровностей профиля почвы, а также локальное внедрение оснований по причинам наличия крена секций и неудовлетворительной эпюры давлений на почву под основаниями секций по их длине и ширине.
В работах [3, 8] установлено, что при распоре секций крепи носки оснований жесткой конструкции оказывают высокое давление на почву пласта и вдавливаются в нее.
В настоящее время эффективное применение механизированных крепей в условиях со слабыми почвами возможно лишь при оснащении секции специальными устройствами приподъема оснований.
Так, в секциях крепи типа КД90 приподъём основания осуществляется гидропатроном, опирающимся на балку механизма передвижки секции крепи, соединенной с забойным конвейером.
При этом создается дополнительное неконтролируемое сопротивление выдвижке балки механизма передвижки секции крепи, осуществляющей подачу конвейера струговой установки на забой.
Для эффективной работы струговой установки балка механизма передвижки секции крепи должна свободно выдвигаться низким давлением, обеспечивая подачу конвейера струговой установки на забой, строго определенным для каждых условий усилием.
Кроме этого гидропатроны устройства приподъема основания, опирающиеся на балку, значительно снижают эффективность управления струговой установкой в вертикальной плоскости пласта за счет ограничения величины подъёма балки относительно почвы пласта.
Следовательно, для выбора механизированной крепи, обеспечивающей эффективную работу стругового комплекса в конкретных горно-геологических условиях необходим достоверный метод определения контактных давлений на почву пласта основанием секции крепи. В настоящее время такой метод отсутствует.
Цель исследований
Целью работы является проведение исследований и разработка метода определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи.
Для достижения цели решены следующие задачи:
1) проведен анализ существующих методов определения контактных давлений, передаваемых на почву пласта основаниями секций крепи;
2) проанализирован расчет инженерных конструкций, лежащих на упругом основании (метод И.А. Симвулиди).
Экспериментальные исследования
При разработке метода были учтены опыт эксплуатации щитовых механизированных крепей, проведены наблюдения за положением оснований секций крепи при их передвижке и распоре.
Разработанная в работе [2] математическая модель предусматривает расчеты контактных давлений, передаваемых на почву основаниями секций щитового типа, только от вертикальных составляющих усилий гидростоек без учета усилий, действующих со стороны рычагов четырехзвенника заднего ограждения, которые приложены к завальной части основания.
Расчетами установлено, что усилия в рычагах составляют 20–50 % от усилия гидростоек. Поэтому они существенно влияют на величину и распределение реальных значений контактных давлений по длине основания щитовой секции крепи и должны быть учтены при определении технических характеристик щитовой механизированной крепи [4].
В настоящей работе рассматривается взаимодействие сплошного основания двухрядной щитовой секции крепи с почвой пласта.
Сплошное основание секции крепи, расположенное на почве пласта, рассматривается как балка или плита, лежащая на упругом основании и нагруженная несколькими силами, приложенными вдоль плиты симметрично оси.
Непосредственная почва пласта рассматривается как однородная упругая среда, характеризуемая модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Такой подход принят по результатам исследований взаимодействия секций механизированных крепей с боковыми породами, проведенными в нашей стране [4] и в ФРГ [8].
Роль основания (плиты) секции механизированной крепи заключается в распределении на почву сосредоточенных сил, передающихся стойками и рычагами заднего ограждения при распоре секции и проявлении активного горного давления.
При этом для определения контактных давлений на почву основаниями секций крепи используется плоская задача теории упругости, т.е. плоская деформация [2].
Основание секции крепи рассматривается как тонкий упругий брус. При этом не учитывается сила трения между основанием и почвой.
В.А. Флорин и Б.Н. Жемочкин в своих исследованиях показали, что влияние трения между основанием и почвой мало отражается на распределении напряжений по подошве основания.
Следует заметить, что весовая составляющая силы тяжести секции крепи в несколько десятков раз меньше суммы усилий, действующих на основание секции, поэтому ею можно пренебречь.
Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи представлена на рисунке 1.
Пользуясь теоремами о переносе пар сил, расположенных в параллельных плоскостях, и сложении пар сил, преобразуем схему, представленную на рисунке 1, в эквивалентную ей схему с четырьмя силами и двумя изгибающими моментами, изгибающими поперечную ось основания секции крепи (см. рисунок 2).
При этом:
,Н·м; 
Таким образом, необходимо определить контактные давления, передаваемые на почву пласта основанием, нагруженным четырьмя сосредоточенными силами 2
, 2
, 2Т
, 2Т
вдоль продольной оси и двумя сосредоточенными изгибающими моментами вдоль поперечной оси М
и М
и, пользуясь принципом независимых сил и моментов, сложить их значения в соответствующих точках основания секции крепи.
Контактные давления от сосредоточенных сил определяются по формуле [6]:
Н/м2 (МПа);
здесь: x – расстояние точки, в которой определяется значение Рх до забойного конца основания;
а0, а1, а2, а3 – параметры, значения которых зависят от жесткости основания, длины, модуля деформации основания, характера нагрузки, характеристик деформации почвы пласта.
Рисунок 1. Расчетная схема для определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи
Рисунок 2. Преобразованная схема для определения контактных давлений на почву пласта, передаваемых сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи
Следует отметить, что реакция почвы пласта определяется на единицу ширины основания.
Так как на основание действуют только сосредоточенные силы, то показатели а0, а1, а2 и а3 определяются по следующим уравнениям:
, Н/м2;
, Н/м2;
,Н/м2; 
, Н/м2;
здесь: 
Н;
– показатель гибкости, зависящий от модуля Юнга Е для материала основания и почвы пласта Е0, коэффициента Пуассона материала почвы 
, длины L, ширины b и момента инерции сечения основания Jпопереч., рассчитывается по формуле:
,
Значения и Е0 принимаются по справочной литературе [5, 7] или определяются экспериментальным путем.
Значения вспомогательных членов N и В1 определяются по формулам:
}-W,Н/м2;
где: W – вспомогательный член определяется по формуле:
,Н/м2;
здесь: 
… – двусторонний прерыватель Герсеванова;
; 
.
Величину контактных давлений от сосредоточенных изгибающих моментов определяем по формуле:
При этом:
Показатель гибкости:
Показатель В:
где: 
– двусторонний прерыватель Герсеванова;
коэффициент 
Таким образом, будут определены контактные давления сплошного основания секции крепи на почву как по его длине, так и по ширине. Фактические значения будут определяться суммой контактных давлений от сосредоточенных сил и изгибающих моментов.
В качестве примера приводится расчет контактных давлений, передаваемых на почву пласта сплошным основанием двухрядной секции щитовой крепи КД90ТС, графики которых представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Графики контактных давлений Рх, передаваемых на почву пласта основанием двухрядной щитовой секции крепи КД90ТС, в зависимости от длины основания.
1 – длина забойной части основания 500 мм;
2 – длина забойной части основания 850 мм.
Из графиков следует, что контактные давления на конце забойной части основания при ее длине, равной 500 мм, составляют 10,5 МПа, а при длине 850 мм – 8,0 МПа, что соответствует очень прочным породам почвы. При этом конец завальной части основания отрывается от почвы. В реальных условиях завальная часть основания не будет передавать контактные давления на почву, т.е. они будут равны нулю, а давление на забойной кромке основания будет несколько ниже расчетного значения. Следовательно, эффективная работа двухрядных секций крепи КД90ТС в условиях почв с удельным сопротивлением менее 8 МПа возможна лишь при оснащении оснований устройствами, обеспечивающими выезд вдавленных в почву секций при их передвижке.
Выводы
1. Разработанный метод позволяет производить выбор механизированной крепи, обеспечивающий её эффективную работу в конкретных горно-геологических условиях.
2. Приведены графики контактных давлений, передаваемых на почву пласта сплошным основанием двухрядной щитовой секции крепи КД90ТС.
Рецензенты:
Луганцев Б.Б., д.т.н., генеральный директор ОАО «Шахтинский научно-исследовательский и проектно-конструкторский угольный институт», г. Шахты.
Кураков Ю.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Естественнонаучные дисциплины» Шахтинского института (филиала) Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) им. М.И. Платова, г. Шахты.
Грызлов Владимир Сергеевич, д.т.н., профессор, профессор кафедры «Строительных технологий и экспертизы недвижимости», ГОУ ВПО Череповецкий государственный университет, г. Череповец.