Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості

Розроблено спосіб, який забезпечує можливість безперервного моніторингу піддатливості рамного кріплення та його опору гірському тиску протягом усього терміну експлуатації виробки. Розроблена конструкція пристрою для надійної реалізації способу та підібрані її раціональні параметри. Проведено аналіз...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Захарова, Л.М., Гріньов, В.Г., Дєдіч, І.О., Гордієнко, М.Е., Кусень, А.Б., Френтцель, Е.В., Назимко, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут фізики гірничих процесів НАН України 2017
Schriftenreihe:	Физико-технические проблемы горного производства
Schlagworte:	Физика горных процессов на больших глубинах
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141936
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості / Л.М. Захарова, В.Г. Гріньов, І.О. Дєдіч, М.Е. Гордієнко, А.Б. Кусень, Е.В. Френтцель, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2017. — Вип. 19. — С. 74-90. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-141936
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1419362018-09-18T01:23:11Z Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості Захарова, Л.М. Гріньов, В.Г. Дєдіч, І.О. Гордієнко, М.Е. Кусень, А.Б. Френтцель, Е.В. Назимко, В.В. Физика горных процессов на больших глубинах Розроблено спосіб, який забезпечує можливість безперервного моніторингу піддатливості рамного кріплення та його опору гірському тиску протягом усього терміну експлуатації виробки. Розроблена конструкція пристрою для надійної реалізації способу та підібрані її раціональні параметри. Проведено аналіз результатів випробування нової технології й поставлені задачі подальших досліджень. Разработан способ, обеспечивающий возможность непрерывного мониторинга податливости рамной крепи и её сопротивления горному давлению в течение всего срока эксплуатации выработки. Разработана конструкция устройства для надежной реализации способа и подобраны ее рациональные параметры. Проведен анализ результатов испытания новой технологии и поставлены задачи дальнейших исследований. We developed a method providing continuous monitoring of frame support pliability and resistance to ground pressure during the term of its service. This method provides continuous and instantaneous monitoring of the pliability as well as frame of the support. The method spends no extra energy and drivers. This method has been implemented in practice owing a special design construction. The device is safe and reliable because pure mechanical approach was adopted during its development. Optimal parameters nave been chosen to provide reliable functioning of the gage. We described the results of the gage testing in laboratory conditions. A set of tasks were delineated that should be accomplished during further investigation. 2017 Article Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості / Л.М. Захарова, В.Г. Гріньов, І.О. Дєдіч, М.Е. Гордієнко, А.Б. Кусень, Е.В. Френтцель, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2017. — Вип. 19. — С. 74-90. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. XXXX-0016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141936 622.83 uk Физико-технические проблемы горного производства Інститут фізики гірничих процесів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах
spellingShingle	Физика горных процессов на больших глубинах Физика горных процессов на больших глубинах Захарова, Л.М. Гріньов, В.Г. Дєдіч, І.О. Гордієнко, М.Е. Кусень, А.Б. Френтцель, Е.В. Назимко, В.В. Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості Физико-технические проблемы горного производства
description	Розроблено спосіб, який забезпечує можливість безперервного моніторингу піддатливості рамного кріплення та його опору гірському тиску протягом усього терміну експлуатації виробки. Розроблена конструкція пристрою для надійної реалізації способу та підібрані її раціональні параметри. Проведено аналіз результатів випробування нової технології й поставлені задачі подальших досліджень.
format	Article
author	Захарова, Л.М. Гріньов, В.Г. Дєдіч, І.О. Гордієнко, М.Е. Кусень, А.Б. Френтцель, Е.В. Назимко, В.В.
author_facet	Захарова, Л.М. Гріньов, В.Г. Дєдіч, І.О. Гордієнко, М.Е. Кусень, А.Б. Френтцель, Е.В. Назимко, В.В.
author_sort	Захарова, Л.М.
title	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
title_short	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
title_full	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
title_fullStr	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
title_full_unstemmed	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
title_sort	розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості
publisher	Інститут фізики гірничих процесів НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Физика горных процессов на больших глубинах
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/141936
citation_txt	Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості / Л.М. Захарова, В.Г. Гріньов, І.О. Дєдіч, М.Е. Гордієнко, А.Б. Кусень, Е.В. Френтцель, В.В. Назимко // Физико-технические проблемы горного производства: Сб. научн. тр. — 2017. — Вип. 19. — С. 74-90. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Физико-технические проблемы горного производства
work_keys_str_mv	AT zaharovalm rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT grínʹovvg rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT dêdíčío rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT gordíênkome rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT kusenʹab rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT frentcelʹev rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí AT nazimkovv rozrobkasposobubezperervnogomonítoringuoporuramnogokríplennâíjogopíddatlivostí
first_indexed	2025-07-10T13:48:50Z
last_indexed	2025-07-10T13:48:50Z
_version_	1837268033199931392
fulltext	Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 74 Раздел 3. Физика горных процессов на больших глубинах УДК 622.83 Л.М. Захарова1, В.Г. Гріньов1, І.О. Дєдіч2, М.Е. Гордієнко3, А.Б. Кусень2, Е.В. Френтцель3, В.В. Назимко1 РОЗРОБКА СПОСОБУ БЕЗПЕРЕРВНОГО МОНІТОРИНГУ ОПОРУ РАМНОГО КРІПЛЕННЯ І ЙОГО ПІДДАТЛИВОСТІ 1 Інститут фізики гірничих процесів НАН України, 49600, м. Дніпро, вул. Сімферопольська, 2-а. 2 ПрАТ «Донецьксталь», 85300, Донецька обл., м. Покровськ, вул. Торгівельна, 106А. 3 ДТЕК, 01032, м. Київ, вул. Льва Толстого, 57. Розроблено спосіб, який забезпечує можливість безперервного моніторингу піддат- ливості рамного кріплення та його опору гірському тиску протягом усього терміну експлуатації виробки. Розроблена конструкція пристрою для надійної реалізації спо- собу та підібрані її раціональні параметри. Проведено аналіз результатів випробу- вання нової технології й поставлені задачі подальших досліджень. Ключові слова: рамне кріплення, піддатливість, динаміка гірського тиску, моніто- ринг. Вступ Гірнича промисловість є гарантом сировинної незалежності нашої дер- жави. Але з розвитком видобутку корисних копалин, родовища, які розроб- лювались відкритим способом вичерпуються. а глибина підземної розробки неухильно збільшується, що призводить до посилення негативних проявів гірського тиску. Саме тому актуальність підтримання підземних виробок у стійкому стані постійно зростає. Як наслідок, необхідність вдосконалення си- стем кріплення посилюється. Незважаючи на велику популярність анкерного кріплення, необхідність застосування рамного, або комбінованого рамно-ан- керного кріплення не тільки не зникає, але й підвищується зі зростанням гли- бини розробки. Така тенденція спостерігається у вугільній промисловості Польщі [3], Чехії [4], Китаю [5, 6], України та інших державах [7]. Варто та- кож наголосити на тому, що адаптацію до інтенсивних необоротних зрушень і деформацій оточуючих порід забезпечують тільки системи рамного піддат- ливого кріплення, або їх комбінації з анкерами. Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 75 Незважаючи на довгу історію застосування такого кріплення його ефекти- вність залишається незадовільною, а актуальність вдосконалення навіть зро- стає. Невирішеними гострими проблемами є втрата стійкості рам внаслідок пластичних деформацій спецпрофілю, розриву замків піддатливості, передча- сна втрата несучої спроможності, втрата піддатливого режиму. У процесі вдо- сконалення рамного кріплення однією з актуальних задач є визначення нава- нтаження на рами. Враховуючи, що мова йде про піддатливі рами, коректніше буде сказати про необхідність визначення опору рам, а не навантаження 1. Огляд існуючих способів визначення опору піддатливих рам До теперішнього часу спеціалістами розроблено широкий спектр техноло- гій, що дозволяють визначати опір рамного кріплення. У якості найбільш по- пулярних технологій вирішення такої задачі застосовують аналітичні методи, або методи числового комп’ютерного моделювання [1, с. 144-151]. Проте ці методи не завжди здатні забезпечити достовірні результати оцінки опору рам. У реальних умовах підземної розробки родовищ корисних копалин часто ви- никають ситуації, які заздалегідь неможливо передбачити. Разом з тим вони можуть суттєво змінювати умови роботи кріплення, що відбивається на його опору та піддатливості. Отже найбільш достовірним способом визначення опору рамного кріплення залишається шахтний експеримент. Важливо зауважити, що переважна кількість відомих способів визначення опору рамного кріплення основана на одномоментних вимірюваннях опору у дискретні моменти часу. У результаті отримують неповну інформацію про роботу рами, що призводить до зниження достовірності висновків, які виво- дяться з результатів вимірювань. Патентний пошук вказує на велику кількість запропонованих пристроїв для вимірювання опору рамного кріплення, при- чому різні конструкції базуються на значному спектрі фізичних ефектів і принципів. Як приклад можна навести наприклад монографію [2, с. 313-316], де автори запропонували оригінальний спосіб визначення опору рам, який ви- мірює опір у дискретні моменти часу за розподілом згинальних моментів уз- довж периметру рам. Оригінальність підходу полягає у тому, що фактично вимірюють кривизну поздовжньої вісі спецпрофілю, а величину моментів ви- значають як функцію вказаної кривизни. Існують різноманітні підходи визначення опору рам у натурних умовах ро- зробки підземних родовищ. Способи вимірювання опору рамного кріплення базуються на використанні різноманітних фізичних ефектів і оригінальних прийомів. Наприклад відомий спосіб шахтних вимірювань навантаження на рамне кріплення [8] згідно якому застосовується пружний елемент у вигляді тензодатчика, який наклеюється на зовнішню поверхню спецпрофілю стояку рамного кріплення. Під верхняк рами встановлюють гідравлічний стояк з ма- нометром і розпирають його між підошвою гірничої виробки і верхняком до моменту, коли показання тензометричного датчика стабілізується. Наванта- Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 76 ження на рамне кріплення визначають по калібрувальній характеристиці тен- зометричного датчика у залежності від відхилення електричного опору дат- чика. В інших способах про опір рамного кріплення судять за його власної час- тоти вібрації [9], або застосовується спеціальна динамометрична затяжка [10]. Спектр фізичних ефектів і прийомів дуже різноманітний. Проте переважна більшість розроблених або запропонованих способів здатні лише визначати опір рами. Для фіксації її піддатливості необхідно окремо застосовувати до- даткові пристрої. Загальним недоліком пристроїв є низька надійність безперервного моніто- рингу навантаження. Для забезпечення безперервного моніторингу протягом кількох років використовують електромеханічний перетворювач. Проте гара- нтувати його роботу у важких підземних умовах обмеженого простору, вугі- льного пилу, вологості, температури й інтенсивного гірського тиску немож- ливо. У результаті прояву інтенсивного гірського тиску виробка зменшує свої розміри, а рамне кріплення деформується у процесі піддатливості. Зменшення габаритів виробки скорочує простір й зазори між діючим обладнанням, у ре- зультаті чого збільшується ймовірність обриву або пошкодження різними ма- ніпуляціями, а також транспортними засобами електромеханічних перетво- рювачів, та електричного кабелю, який необхідний для безперервної передачі й запису результатів моніторингу навантаження на рамне кріплення, та його піддатливості. Пил, особливо вугільний та агресивні підземні води можуть призвести до корозії електромеханічного перетворювача, та замикання електричного лан- цюга, за допомогою якого повинні безперервно передаватись дані монітори- нгу. Коливання температури й вологості, а також динамічні удари, що супро- воджують піддатливість рамного кріплення, спричиняють викривлення хара- ктеристики електромеханічного перетворювача. Отже вказані фактори безпо- середньо знижують надійність роботи пристрою. Результати моніторингу бу- дуть неповні, перериватись у часі, й міститимуть похибки, обумовлені корот- кими замиканнями, витоками струму у вологому середовищі, що зменшує до- стовірність результатів моніторингу навантаження і піддатливості рамного кріплення. Теоретично більшу частину відомих способів вимірювання опору рамного кріплення можна модифікувати так, щоб вони виконували безперервний у часі моніторинг поведінки кріплення. Для цього необхідно додатково засто- сувати електромеханічний перетворювач, який як уже сказано вище, є чутли- вим до механічних, електричних пошкоджень, що знижує його надійність. Практика свідчить про те, що самим надійним способом моніторингу опору рамного кріплення був і залишається механічний. Зауважимо, що застосування додаткових пристроїв типу механічних само- писців відомої конструкції має такий же самий недолік, як і електромеханіч- Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 77 них перетворювачів. По-перше, привід механічного самописця необхідно пе- ріодично заводити, або заряджати енергією, що незрівнянно підвищує трудо- місткість способу. По-друге, у суворих умовах підземного видобутку такий самописець буде рано чи пізно зруйнований. По-третє, переважна більшість відомих конструкцій здатні моніторити окремо опір рами, або її піддатли- вість, але не обидва параметри одночасно. 2. Постановка задачі Виконаний аналіз свідчить про те, що наразі не існує надійного способу для виконання безперервного моніторингу одночасно опору піддатливих рам й їх піддатливості. Існуючі конструкції не здатні реалізувати таку задачу. Аналіз також показав, що рішення необхідно шукати у колі чисто механічних способів. Безперервний моніторинг опору й піддатливості рамного кріплення важливий тому, що від дозволяє виявити дисипативні структури, які відігра- ють важливу роль під час реалізації необоротних процесів [11–13]. Саме під- датливість рами є типовим незворотним процесом розсіювання потенційної енергії гірського тиску. Отже задача полягала у тому, щоб розробити такий спосіб, який дозволить здійснювати безперервний довготривалий надійний одночасний моніторинг опору й піддатливості рамного кріплення за допомо- гою простого механічного пристрою 3. Обґрунтування принципу безперервного моніторингу опору й піддатливості рамного кріплення Логіка системного мислення [14] допомагає сформулювати ряд принципів, на основі яких доцільно вирішувати поставлену задачу. По-перше, спосіб без- перервного моніторингу опору й піддатливості рамного кріплення повинен бути якомога простішим; по-друге, – базуватись на чисто механічному прин- ципу запису покажчиків опору й піддатливості рами; по-третє, – бути енерго- заощадливим, оскільки процес моніторингу триває роками, тобто протягом усього життєвого циклу рами. Остання вимога допомагає знайти джерело ене- ргії, а саме енергію гірського тиску, яка перетворюється у кінетичну енергію руху сегментів рами (верхняку, стояків, або обох). Сформульована парадигма наштовхує на думку про те, що пристрій для реалізації способу повинен перетворювати кінетичний рух сегментів у пока- жчики опору й піддатливості, а для забезпечення надійності сам пристрій не- обхідно сховати у порожнину коробчастого профілю СВП. Оскільки перева- жна кількість рамних конструкцій побудована так, що верхняк вкладено у стояки, пристрій повинен перетворювати енергію верхняку у покажчики опору й піддатливості рами. Зрозуміло, що цей пристрій повинен записувати значення покажчиків і бути з’єднаним з верхняком. Оскільки пристрій пови- нен бути суто механічним, запис амплітуди опору й піддатливості можна ви- конати на днищі стояків. Це зручно зробити шляхом шкрябання днища стоя- ків. Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 78 4. Розробка конструкції самописця Отже вимальовується конструкція пристрою у вигляді пружинного важеля, один кінець якого прикріплено до торця верхняку, а другий кінець має маркер або маркер-голку, яка здатна нашкрябати слід на днищі стояку. Величина під- датливості точно дорівнює сліду, який прокреслить голка. Але залишається невирішеною проблемою реєстрації амплітуди опору рами. Для цього згада- ємо, що вивільнення кінетичної енергії нерозривно пов’язано з інерційністю. Ефект інерційності можна залучити шляхом приєднання до кінця важеля ва- жок, а сам важіль виконати у вигляді пружини. Якщо центр тяжіння важка буде зміщено відносно точки закріплення пружини, важок буде відхиляти ма- ркер від прямої лінії, яка є паралельною поздовжній осі стояків, причому ам- плітуда відхилення повинна бути пропорційною кореню квадратному з кіне- тичної енергії, яка вивільняється під час проковзування верхняка. На рис. 1 наведена конструкція пристрою для безперервного моніторингу опору й піддатливості рамного кріплення. Фрагмент (а) відображає ліву вер- хню чверть піддатливого рамного кріплення, яке вказане позицією 1, позиція 2 відповідає верхняку, позиція 3 – стояку, 8 – нахлестці, 20 – породному ого- ленню, 21 – затяжці. На рис. 1,б наведений збільшений фрагмент А з рис. 1,а. Позиція 7 позначає днище спецпрофілю, 14 – його внутрішня поверхня, 15 – задній кінець пружини, 16 – пружина, 17 – передній кінець пружини, 18 – ва- жок, 19 – маркер. На рис. 1,г показано розріз Б–Б фрагменту (б). Позиція 4 указує на спецп- рофіль, 5 – його полиці, 6 – його бокові стінки, 9 – проміжок, 10 – замок під- датливості, 11 – його скоба, 12 – його фігурна планка, 13 - його гайки, 24 – зовнішня поверхня спецпрофілю. На рис. 1,в наведено повернутий на 900 вид В фрагменту (а). Позиція 22 вказує поздовжню вісь спецпрофілю 4, верхняка 2 і стояка 3, позиція 23 – лінія що проходить через задній 15 і передній кінець 17 пружини 16, а символ α – кут між лініями 22 і 23. Пристрій для безперервного моніторингу навантаження на рамне кріп- лення і його піддатливості складається з піддатливого рамного кріплення 1, що складається з верхняку 2 і двох стояків 3, які виготовлені зі спецпрофілю 4, що має полиці 5, бокові стінки 6 й днище 7 з внутрішньою 14 та зовнішньою 24 поверхнею, а також пружно-піддатливого елементу 16 в якості якого за- стосована пружина 16, причому задній кінець 15 пружини 16 жорстко прик- ріплений до внутрішньої поверхні 14 днища 7 спецпрофілю 4 верхняку 2, а передній кінець 17 жорстко прикріплений до важка 18, кінець якого забезпе- чений маркером 19, який притиснутий до внутрішньої поверхні 14 днища 7 спецпрофілю 4 стояку 3, з можливістю пересування (проковзування) по цій поверхні, на яку нанесено покриття з акрил-вінілового полімерного матері- алу. Приклад конструкції пристрою для безперервного моніторингу наванта- ження на рамне кріплення 1 і його піддатливості наведений для наступних Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 79 умов. Пружина 16 має форму лемніскати Бернуллі, яка забезпечує оптима- льне перетворення поступального руху верхняку 2 відносно стояку 3 у коли- вальний рух маркера 19. Пружина 16 виготовлена з нержавіючого дроту діа- метром 1,2 мм, а її задній кінець 15 приварено до днища 7 сталевого верхняку 2, який виготовлено з спецпрофілю СВП27. Передній кінець 17 пружини 16 приварено до сталевого важка 18, кінець якого виконано гострим, тобто сфо- рмовано у вигляді маркеру 19. Жорсткість пружини 16 дорівнює 110 Н/м, маса важка 18 становить 0,05 кг. Рис. 1. Конструкція для здійснення безперервного моніторингу опору й піддатливо- сті рамного кріплення Важок 18 притиснутий маркером 19 до внутрішньої поверхні 14 днища 7 спецпрофілю 4 стояку 3 з силою 1 Н. Відстань між переднім 17 і заднім 15 кінцями пружини 16 дорівнює 0,8 ширини днища спецпрофілю або 45 мм, а кут α нахилу лінії 23, що проведена через передній 17 і задній 15 кінець пру- жини 16 і поздовжньою віссю 22 спецпрофілю 4 стояка 3 має величину 40○. Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 80 На внутрішній поверхні 14 днища 7 стояку 3 нанесено напилюванням шар клею ПВА (на кресленні не вказаний), який захищає внутрішню поверхню 14 від корозії. Рамне кріплення 1 встановлене у підземній виробці вугільної шахти (на кресленні не показана) безпосередньо біля породного оголення 20. Термін експлуатації виробки три роки. Верхняк 2 і стояк 3 стулені нахлесткою 8 довжиною 0,4 м і стиснуті замком піддатливості 10, причому між верхняком 2 і стояком 3 є проміжок 9. На рамне кріплення 1 укладають дерев’яну затяжку 21, а проміжок між за- тяжкою 21 і породним оголенням 20 забутовують шматками породи. Це за- безпечує захист пружини й важка від пошкоджень. 5. Опис конструкції у роботі На рис. 2 наведено графіки, необхідні для визначення опору й піддатливо- сті рамного кріплення. Попередньо необхідно зняти у лабораторних умовах характеристику замка піддатливості, який буде застосований під час зборки рами. Вказана характеристика повинна бути представлена у вигляді графіку залежності опору замка від величини його піддатливості (рис. 2,а). У даному випадку показана характеристика замка постійного опору. Пристрій функціонує наступним чином. Під дією гірського тиску породне оголення 20 зміщується у порожнину виробки і навантажує рамне кріп- лення 1. У результаті верхняк 2 проковзує відносно стояка 3 так, що нахлестка 8 збільшується. Таким чином, верхняк 2 штовхає пружину 16 уздовж осі 22 спецпрофілю 4 стояка 3. Якщо верхняк 2 рухається відносно стояку 3 без при- скорення (плавно, поступально), то важок 18 рухається теж поступально і прямолінійно, тобто паралельно осі 22, прокреслюючи пряму лінію 3 (вказа- ною пунктиром на рис. 2,б) на полімерному покритті. Це означає нормальну роботу замка піддатливості 10, яка описується графіком (робочою характери- стикою) 1 на рис. 2,а. За умови ж, коли замок 10 заклинюється, верхняк 2 ру- хається стрибкоподібно, з прискоренням. Важок 18, маючи інерційну масу, не встигає миттєво зреагувати на це прискорення і відхиляє передній кінець 17 пружини 16 у бік заднього кінця 15. Як наслідок, маркер 19 креслить (дряпає) на полімерному покритті поверхні 14 криву лінію 2 (рис. 2,б) у вигляді коли- вальних відхилень маркеру 19 від прямої лінії 3. Чим більше була сила закли- нювання замка 10, тим більше буде прискорення, а отже і відхилення 2 мар- керу 19 від прямої лінії 3. Це дозволяє скоригувати робочу характеристику 1 замка (рис. 2,а) і отримати реальний графік 4 залежності навантаження на ра- мне кріплення від його піддатливості (рис. 2,в). Величина піддатливості абсо- лютно ідентична величині пересування маркеру 19 уздовж поверхні 14 й ви- мірюється рулеткою. Для прив’язки процесу піддатливості до часу наносяться у певні моменти часові мітки шляхом нанесення каліброваних ударних імпульсів по рамі 3 у напрямку, перпендикулярному до її осі 22. Часові мітки вказані вертикаль- Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 81 ними стрілками на фрагменті (б) рис. 2. Реальний графік 4 залежності наван- таження на рамне кріплення від його піддатливості (рис. 2,в) отриманий шля- хом введення поправок з кривої 2 графіку рис. 2,б на робочу характеристику 2 замка (рис. 2,а). Рис. 2. Відновлення реального графіку еволюції опору замка під час реалізації його піддатливості Вказана процедура не може бути реалізована простим інтегруванням, як це робиться у випадку відновлення траєкторії руху за допомогою інерційних си- стем [15]. Тому для відновлення опору рами необхідно прийняти певні гіпо- тези або припущення. Розглянемо графік опору стандартного замка піддатли- вості, отриманого на нахлестці прямолінійних стояків у лабораторних умовах Фіг. 6 1 2 3 в 4 б а Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 82 (рис. 3). Зауважимо, що випробувався окремий замок на прямолінійній нахле- стці, а не на рамі. Відхилення важка від прямої лінії 3 на рис. 2,б відповідає моментам стрибкоподібного падіння опору замка на рис. 3. Як бачимо, піки опору не прив’язані до стандартного або нормативного рівня опору, який є приблизно постійним (у випадку замку постійного опору). Вказані піки мо- жуть бути повністю розташовані над стандартним рівнем, або під ним. Це унеможливлює надійне відновлення графіку опору піддатливого рамного крі- плення за віброграмою рис. 2,б. Рис. 3. Варіація опору окремих замків на прямолінійних стояках: 1 – стандартний замок АП3.030; 2 – ідеальна характеристика стабілізованого замка Проте лабораторні випробування, виконані на системі кількох (хоча б двох) рам вказують на те, що коливання несучої спроможності рам відбува- ється відносно середнього рівня (рис. 4) [16]. Наприклад, розподіл випадко- вих відхилень опору чотирьох замків на двох суміжних рамах виявився симе- тричним зі стандартним відхиленням ±12 кН від нормативного рівня опору. Рис. 4. Відхилення опору від середнього рівня на двох суміжних рамах 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 8 10 О п ір , к Н Час, хв 1 2 Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 83 Такий експериментальний результат є наслідком закономірностей еволю- ції дисипативних систем [13] і дозволяє залучити закономірність симетрич- ного відхилення величин опору рамного піддатливого кріплення відносно се- реднього рівня для розробки процедури відновлення динаміки опору рам за графіком відхилень важка. Отже виходячи з обґрунтованої гіпотези щодо симетричності відхилень опору кріплення від стандартного рівня, доцільно виокремити таку амплітуду відхилень важка пружини самописця, енергія якої є значимою або суттєвою для того, щоб здійснити таке відхилення. Сім таких відхилень показані на рис. 3 починаючи з четвертої хвилини лабораторних випробувань замка піддатли- вості. Перші ж три відхилення, які відбулись з самого початку випробувань, як видно з графіку, залишились у межах випадкової похибки експерименту. Аналогічні флуктуації опору замка спостерігаються на висхідних гілках спле- сків опору у діапазоні 5-6 хвилин випробувань, 7-8 та 8-9 хвилин. Таким флу- ктуаціям відповідає певна амплітуда відхилень важка, яка визначається з ре- зультатів калібровочних випробувань замків піддатливості 6. Обґрунтування алгоритму відновлення історії опору рами Отже виконаний аналіз дозволив обґрунтувати наступний алгоритм відно- влення графіку опору рамного піддатливого кріплення по результатам безпе- рервного й одночасного моніторингу опору та піддатливості рам за допомо- гою розробленого пристрою. Нагадаємо, що для реалізації алгоритму необхі- дно попередньо отримати характеристику замка у лабораторних умовах і мати графік залежності опору від величини піддатливості в ідеальних умовах експлуатації замка. Тобто у таких (лабораторних) умовах, коли робота опору замка реалізується тільки у штатному, стандартному або проектному режимі. Зауважимо також, що характеристика стандартного опору у лабораторних ідеальних умовах випробування і експериментальна діаграма відхилень ва- жка самописця у шахтних умовах повинні буди побудовані у однакових ко- ординатах аргументу. Іншими словами вісь абсцис повинна вимірюватись у міліметрах, тобто відображати величину піддатливості. На осі ординат лабо- раторної або стандартної характеристики відображають опір замка у кілопас- калях, а на шахтній діаграмі – відхилення важка від нейтральної осі 3 у мілі- метрах (рис. 2,б). Вказану діаграму отримують після погашення виробки або у любий мо- мент зняття стояку рами, на внутрішній поверхні якого буде накреслено гра- фік відхилень важка (рис. 2,б). Стояк 3 рамного кріплення 1 знімають, його внутрішню поверхню очищають від вугільного пилу і бруду і фотографують слід, надряпаний маркером 19 у вигляді кривої рис. 2,б. Для прив’язки до ма- сштабу цифровий знімок роблять з масштабною лінійкою, і для надійності додатково вимірюють рулеткою відстані між характерними коливаннями і відхиленнями на поверхні 14, які нанесені каліброваними ударами у якості Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 84 часових міток часу (вказані вертикальними стрілками на рис. 2,б). Таким чи- ном навантаження можна відобразити як у залежності від величин піддатли- вості, так і від часу, що дуже важливо з точки зору синхронізації результатів моніторингу та їх порівняння у часі. Величина одноразового відхилення важка й піддатливості не обов’язково пропорційні, оскільки одночасно з динамічною компонентою опору рами діє й статична компонента гірського тиску або навантаження на раму. Тому ве- личина стрибка опору пропорційна саме відхиленню важка, а не його однора- зовому (елементарному) пересуванню. Для встановлення залежності між від- хиленням опору замка і відхиленням важка виконують спеціальні випробу- вання у лабораторії, але створюють такі умови, коли замок може заклинюва- тись. У даному випадку відхилення опору замка ΔR знаходився у наступній параболічній залежності від величини відхилення d важка: ΔR = 1,74d2 (1) Нагадаємо, що на шкалі вісі діаграми відхилень важка (рис. 2,б) відобра- жена реалізація реальної піддатливості замка (рами). Наприклад, якщо певний стрибок важка у бік від лінії 3 (рис. 2,б) відбувся при абсцисі 75 мм, це озна- чає, що на характеристиці замка (рис. 2,а) необхідно поставити вертикальну риску напроти абсциси 75 мм. Амплітуда риски залежить від величини відхи- лення важка і визначається згідно формули (1). Наприклад відхилення важка у 8 мм відповідає відхиленню опору рами у шахтних умовах 111 кПа. Верти- кальна риска ставиться так, щоб її середина співпадала з лінією 1 характери- стики, яка відображена на рис. 2,а. Іншими словами пік опору рами у той мо- мент склав 120+111/2=175,5 кН, а після проковзування сегментів рами у ре- зультаті піддатливості замка опір упав до 120 – 55,5=64,5 кН. Суміжні міні- муми опору й його максимуми з’єднуються прямими похилими лініями. За бажанням можна корегувати діаграму відхиленнями меншої амплітуди, які фактично несуттєво викривляють прямі відрізки діаграми (горизонтальні або похилі). 7. Врахування особливостей реальної поведінки рам у шахтних умовах Піддатливі рами мають якнайменше два замка піддатливості. П’яти-лан- цюгова рама має чотири таких замки і т.д. Для практики вкрай важлива задача полягає у дослідженні взаємної відповідності роботи замків піддатливості у часі і просторі. Справа у тому, що несинхронна піддатливість замків у часі і просторі призводить до перекошування рам і заклинювання замків з посліду- ючою втратою несучої спроможності рам. Для того, щоб мати можливість ви- рішувати вказану актуальну задачу, необхідно точно знати не тільки вели- чину піддатливості кожного з замків на певній рамі і її опір, але й моменти спрацювання кожного з замків. Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 85 Для цього необхідно синхронізувати шкали піддатливості у часі. Іншими словами діаграми відхилення важка необхідно будувати як на шкалі піддат- ливості, так і у часовому масштабі. Нами запропоновано два способи часової синхронізації процесу піддатливості замків рами. Перший спосіб, активний, реалізується у будь-який момент часу шляхом нанесення каліброваного удару по рамі. Для надійної ідентифікації часових відміток удар здійснюється по центру верхняку, причому напрямок удару орієнтується уздовж вісі виробки. У результаті напрямок удару перпендикулярний напрямку динамічних імпу- льсів, які виникають під час спрацьовування замків піддатливості, коли вини- кає суттєве відхилення опору рами від стандартного або нормативного штат- ного рівня. Таким чином фігура, яку описує важок з маркером має унікальну форму, яку можна ідентифікувати (дивись фігури, вказані вертикальними стрілками на рис. 2,б). Зрозуміло, що момент удару фіксують і запам’ятову- ють. Другий спосіб синхронізації процесів піддатливості замків у межах однієї рами базується на тому, що у момент, коли спрацьовує один замок, вібрації рами розповсюджуються по усьому її периметру й так чи інакше зачіпають решту замків. Існує вагома підозра щодо практичної неможливості одномо- ментного спрацювання усіх замків піддатливості у межах однієї рами. Ця ду- мка підсилюється встановленими закономірностями еволюції дисипативних структур у часі і просторі [13]. Експериментальний доказ такої неможливості є задачею майбутнього, яку можна буде вирішити лише завдяки розробле- ному пристрою безперервного моніторингу опору й піддатливості рамного кріплення. Наразі ж треба відмітити, що форма фігур, які описує важок з ма- ркером принципово відрізняються на активному замку (який піддається) і на пасивному, який буде тільки вібрувати разом з всією рамою. Попередні екс- перименти показують, що маркер на пасивному замку буде креслити прямий відрізок, що є перпендикулярним лінії 3 на рис. 2,б. Отже таким чином синх- ронізація буде доповнюватись ще й пасивною вібрацією замків, яка обумов- лена спрацюванням активного замка. Остання проблема, яку необхідно вирішити полягає у методі розрізняння ситуацій, коли активним елементом, який проковзує є верхняк, чи стояк. У переважній кількості випадків активне проковзування буде здійснювати вер- хняк. Зауважимо, що інерційна система відліку для рами й її конструктивних елементів зв’язана з земною кулею. Враховуючи реальну похибку механічних вимірів опору й піддатливості у важких підземних умовах прискоренням Ко- ріоліса, що обумовлене обертанням Землі навколо своєї вісі можна знехту- вати. Графік, зображений на рис. 2,б отриманий для найбільш представниць- кого з точки зору теорії ймовірності випадку, коли активне проковзування здійснює верхняк, до якого жорстко прикріплена пружина. Проте можливе й активне проковзування стояків внаслідок здимання пі- дошви підземної виробки. У такому випадку на важок з маркером буде діяти тільки сила тертя, а отже фігура, яку опише маркер буде суттєво відрізнятись Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 86 від фігур, що виникають підчас активного проковзування верхняку. Однак ва- жливо те, що усі вказані фігури будуть мати унікальну форму, яку можна пов’язати з конкретною причиною. Таким чином принципово можливо відрі- знити усі можливі акти прискорень елементів рамного кріплення: активного проковзування верхняку, стояку, пасивної вібрації рами, а також відхилення маркеру під час нанесення часових міток каліброваним ударом по рамі. Це забезпечує достовірність результатів відновлення реальної діаграми опору рамного кріплення у складних умовах підземної гірничої виробки. Рис. 5. Ілюстрація активної й пасивної реакції важка Рис. 5 ілюструє переважну більшість характерних паттернів вібрацій. Пат- терни 1 і 4 відображають активну реакцію важка на сильні динамічні ефекти, що супроводжували проковзування верхняку, на торці якого закріплено пру- жину з цим важком. Інтервал 2 вказує на просте пересування верхняку відно- сно стояку. Це пересування було рівномірним, без будь-яких прискорень. Тому лінія, прокреслена маркером є прямою і проходить через точки, де ва- жок з пружиною знаходиться у рівноважному стані. Паттерн 3 ілюструє не- значні коливання важка, які відображають малі прискорення верхняку, за яких відхилення величини опору було несуттєвим. Паттерн 5 показує пасивне здригання важка, який прокреслив вертикальну риску під час спрацювання протилежного (чужого для важка) замка. Надійність методу гарантується чисто механічним способом моніторингу опору й піддатливості рами, простотою конструкції пристрою для реалізації вказаного способу, захистом пристрою від механічних пошкоджень у глибині спецпрофілю, повною відсутністю необхідності забезпечення пристрою ене- ргію, яку він черпає від енергії гірського тиску. До того ж практичний досвід показав, що надійну діаграму креслить голка маркеру на смузі з акрил-вініло- вого оргскла, яку можна прикріпити до внутрішньої поверхні днища стояків саморізами. Акрил не піддається корозії, але достатньо пластичний, що сприяє нанесенню подряпуванням лінії. Додамо, що розроблений спосіб і пристрій для його реалізації має максимально можливий діапазон вимірю- вання піддатливості рами, який залежить тільки від довжини стояків і верх- няку. Вказаний механічний принцип вимірювання також індиферентний до аг- ресивних підземних вод, стрибків температури, пилу. До того ж він не потре- бує електричного живлення, й нагляду. Це гарантує високу надійність безпе- рервного моніторингу навантаження на рамне кріплення і його піддатливості. Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 87 Оскільки графік навантаження й піддатливості запам’ятовується повністю, без пропусків й втрати даних, це підвищує й достовірність результатів моні- торингу. Варто зауважити, що форму фігур, які креслить маркер суттєво залежить від кількох параметрів, а саме: від форми пружини, маси важка, сили притис- кування маркеру до внутрішньої поверхні днища стояку (або жорсткості пру- жини), кута нахилу лінії, що з’єднує точку прикріплення пружини до верх- няку та вісь маркеру, відстані між вказаними точками, міцністю шару, на який наноситься діаграма. На рис. 6 наведено іншу форму діаграми, яка отримана пристроєм з дещо різними параметрами. Рис. 6. Траєкторія руху маркеру за інших параметрів пружини й важка Експериментальним шляхом визначені раціональні діапазони вказаних па- раметрів, що забезпечують суттєво різну форму фігур, які викреслює маркер, та їх розміри, що сприяє надійному розрізненню характерних ситуацій і у пі- дсумку достовірності відновлення еволюції опору й піддатливості рамного кріплення у шахтних умовах. Значення вказаних діапазонів для спецпрофілів СВП27 і СВП33 є наступ- ними: жорсткість пружини становить 110-150 Н/м, маса важка знаходиться у діапазоні 0,05-0,10 кг, сила притиснення маркеру до внутрішньої поверхні днища спецпрофілю стояку становить від 1 до 2 Н, відстань між одним і дру- гим кінцями пружини складає 0,8-1,25 ширини днища спецпрофілю, кут на- хилу лінії що проведена через передній і задній кінець пружини і поздовж- ньою віссю спецпрофілю стояка має величину у діапазоні 40-70○. Подальшими дослідженнями планується визначити оптимальні параметри пристрою й методики відновлення опору й піддатливості рамного кріплення. Для вирішення вказаної задачі буде застосовано сучасні методи штучного ін- телекту й обробки образів. Висновки На основі встановлених закономірностей еволюції дисипативних структур у рамному піддатливому кріпленні та оточуючому масиві гірських порід об- ґрунтовано нові принципи безперервного й одночасного моніторингу опору й піддатливості рамного кріплення. Розроблено й випробувано конструкцію Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 88 пристрою для реалізації вказаних пристроїв. Встановлено раціональні пара- метри пристрою й розроблено алгоритм відновлення діаграми опору рамного кріплення й його піддатливості як у часі, так і просторі, які забезпечують ви- соку достовірність результатів. Надійність методу гарантується суттєвими перевагами, а саме: чисто меха- нічним способом моніторингу опору й піддатливості рами, простотою конс- трукції пристрою для реалізації вказаного способу, захистом пристрою від механічних пошкоджень у глибині спецпрофілю, повною відсутністю необ- хідності забезпечення пристрою енергію, яку він черпає від енергії гірського тиску. Додамо, що розроблений спосіб і пристрій для його реалізації має ма- ксимально можливий діапазон вимірювання піддатливості рами, який зале- жить тільки від довжини стояків і верхняку. Вказаний механічний принцип вимірювання також індиферентний до аг- ресивних підземних вод, стрибків температури, пилу. До того ж він не потре- бує електричного живлення, й нагляду. Це гарантує високу надійність безпе- рервного моніторингу навантаження на рамне кріплення і його піддатливості. Оскільки графік навантаження й піддатливості запам’ятовується повністю, без пропусків й втрати даних, це підвищує й достовірність результатів моні- торингу. 1. Бондаренко В.І., Ковалевська І.А., Симанович Г.А., Снігур В.Г. Аналітико-експе- риментальні дослідження стійкості виїмкових виробок і розрахунок параметрів кріпильної системи: монографія. – Дніпропетровськ: ТОВ «ЛізуновпРЕС», 2013. – 178 с. 2. Шашенко О.М., Солодянкін О.В., Мартовицький А.В. Управління стійкістю про- тяжних виробок глибоких шахт. Монографія. – Дніпропетровськ: ТОВ «Лізуно- вПрес», 2012. – 384 с. 3. Lubosik Z., Prusek S., Wrana A., Walentek A. (2015). Underground Measurement of Gateroad Stability at the Depth Around 1000m. 34th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, WVU. – Pp. 1-9. 4. Prusek, S., Lubosik, Z., Dvorsky, P., Horak, P. (2011). Gateroad support in the Czech and Polish coal mining industry – present state and future developments. In: Proceedings of the 30th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown, WVU. – Pp. 31-37. 5. Meng Q., Han L., Chen Y., Fan J. (2016) Influence of dynamic pressure on deep underground soft rock roadway support and its application. International Journal of Mining Science and Technology, Vol.26, # 5, Pp. 903-912 6. Ming L., Xianbiao M., Yuanlin Y., Kai L.0, Chao M., Yan P. (2012). Stress and deformation analysis on deep surrounding rock at different time stages and its application. International Journal of Mining Science and Technology. Vol. 22, # 3, Pp. 301-306. 7. Stahlmann, J., Missal, C., & Edel T. (2013). Geotechnical conditions at the Konrad mine – Excavation of drifts and rooms in squeezing rock. Geotechnische Bedingungen Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 89 in der Schachtanlage Konrad – Auffahrung von Strecken und Kammern in druckhaftem Gebirge. Mining Report, 150 (5), 250–338, DOI: 10.1002/mire.201400029. 8. Способ шахтных замеров нагрузки на шахтную крепь: пат. 840353 СРСР. №2770265/22-03; заявл. 22.05.79; опубл. 23.06.1981, Бюл. №23. 2 с. 9. Способ измерения нагрузки на крепь горной выработки: пат. 912946 СРСР. №2851685/22-03; заявл. 13.12.79; опубл. 15.03.1982, Бюл. №10. 2 с. 10. Динамометрическая затяжка: пат. 459600 СРСР. №1666181/22-03; заявл. 18.06.71; опубл. 05.02.75, Бюл. №5. 2 с. 11. Zakharova L. Close interaction of rock fragments in underground roadway during irreversible movement of surrounding rock mass. Metallurgical and Mining Industry, No. 6, 2017, 40 - 43 pp. 12. Griniov V., Zakharova L., Diedich I., Nazymko V. Distant interaction of rock mass clusters around underground opening. Min. miner. depos. 2017, 11(2): 79-83, https://doi.org/10.15407/mining11.02.079 13. Zakharova L. (2017) Generating of dissipative structures during ground irreversible movement. Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University, 8(6): 76-81. 14. Альтшщулер Г.С. Алгоритм изобретения. М.: «Московский рабочий», 1969. – 63 с. 15. King A.D. (1998). "Inertial Navigation – Forty Years of Evolution" (PDF). GEC Review. General Electric Company plc. 13 (3): 140–149. 16. Халімендик Ю.М., Халімендик В.Ю., Захарова Л.М. Аналіз результатів стендових випробувань рамного кріплення. Науковий вісник НГУ. – 2017 (стаття знахо- диться у процесі друкування). Л.М. Захарова, В.Г. Гринёв, И.А. Дедич, М.Э. Гордиенко, А.Б. Кусень, Э.В Френт- цель., В.В. Назимко РАЗРАБОТКА СПОСОБА НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА СОПРОТИВЛЕНИЯ РАМНОЙ КРЕПИ И ЕЁ ПОДАТЛИВОСТИ Разработан способ, обеспечивающий возможность непрерывного мониторинга пода- тливости рамной крепи и её сопротивления горному давлению в течение всего срока эксплуатации выработки. Разработана конструкция устройства для надежной реали- зации способа и подобраны ее рациональные параметры. Проведен анализ результа- тов испытания новой технологии и поставлены задачи дальнейших исследований. Ключевые слова: рамная крепь, податливость, динамика горного давления, мони- торинг. L. Zakharova, .V. Griniov, I, Dedich, M, Gorgienko, A. Kusen, E. Frentsel, V, Nazimko DEVELOPMENT OF THE METHOD OF CONTINUOUS MONITORING OF FRAME STRIP RESISTANCE AND ITS PLIABILITY Физико-технические проблемы горного производства 2017, вып. 19 90 We developed a method providing continuous monitoring of frame support pliability and resistance to ground pressure during the term of its service. This method provides continuous and instantaneous monitoring of the pliability as well as frame of the support. The method spends no extra energy and drivers. This method has been implemented in practice owing a special design construction. The device is safe and reliable because pure mechanical approach was adopted during its development. Optimal parameters nave been chosen to provide reliable functioning of the gage. We described the results of the gage testing in laboratory conditions. A set of tasks were delineated that should be accomplished during further investigation. Keywords: frame support, pliability, dynamics of rock pressure, monitoring.

Розробка способу безперервного моніторингу опору рамного кріплення і його піддатливості

Institution

Ähnliche Einträge