Введение к работе
Одними из самых масштабных подземных сооружений по объему, разнообразию и сложности решаемых в период строительства и эксплуатации задач являются вертикальные стволы с армировкой, которая предназначена для обеспечения направленного безаварийного движения по стволу подъемных сосудов различной конструкции.
Вертикальные стволы, оснащенные армировкой, входят в комплексы подземных сооружений горнодобывающих предприятий, метрополитенов, автомобильных и железнодорожных тоннелей. Тип и конструкция армировки оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, сроков и стоимости строительства объекта, а также на величину затрат, связанных с проветриванием подземных сооружений.
В настоящее время глубина современных эксплуатируемых и строящихся шахтных стволов перешагнула 1000 м отметку и продолжает увеличиваться, что приводит к ухудшению горно-геологических и гидрогеологических условий строительства.
Условия работы армировки глубоких стволов можно также охарактеризовать как весьма сложные. Конструкции испытывают комплекс постоянных и временных воздействий и нагрузок, обусловленных деформациями вмещающих горных пород и грунтового массива, природно-климатическими и техногенными факторами. При этом определяющее влияние на режим эксплуатации армировки оказывает величина интенсивности подъема, которая в глубоких стволах достигает 8 * 9-106 Дж и более.
В отечественной практике армирования вертикальных стволов наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка, конструктивными элементами которой являются хордальные и центральные расстрелы балочного типа и рельсовые или коробчатые проводники. Основным подходом в проектировании жесткой армировки глубоких стволов с подъемом большой производительности является применение сложных металлоемких конструкций с проводниками и расстрелами, выполненными из усиленных коробчатых профилей. Такая армировка обладает рядом существенных недостатков: высокой трудоемкостью и стоимостью монтажа, большим аэродинамическим сопротивлением струе воздуха, подаваемого по вертикальному стволу для проветривания подземных выработок и сооружений и др.
Одним из главных направлений совершенствования жесткой армировки является замена балочных расстрелов консольными, консольно-распорными и блочными конструкциями (безрасстрельная армировка). Это позволяет снизить металлоемкость, трудоемкость и стоимость армирования, а также аэродинамическое сопротивление в стволе. Наибольшую технико-экономическую эффективность по перечисленным факторам име-
ет консольная армировка, но из-за невысокой
і її і і ні— тґ
ласть ее применения ограничивается стволами со средней интенсивностью подъема(4 + 5-106Дж).
Расширить область использования консольной армировки можно путем уменьшения величины динамических нагрузок, передаваемых на консоли движущимся по стволу подъемным сосудом. Существует несколько способов снижения нагрузок, наиболее перспективным из которых является обеспечение постоянной поперечной жесткости армировки по глубине ствола. Однако возможность и целесообразность применения этого способа в конструкциях безрасстрельной армировки остаются неизученными.
Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке конструктивных и технологических решений безрасстрельной армировки, предназначенной для эксплуатации в глубоких стволах с высокой интенсивностью подъема.
Цель работы. Разработка методики проектирования и технологии монтажа ресурсосберегающих конструкций безрасстрельной армировки, имеющих постоянную поперечную жесткость по глубине ствола.
Задачи, решению которых посвящена настоящая работа:
-
Выполнение комплексного анализа проблем применения жесткой армировки.
-
Разработка конструкций и схем безрасстрельной армировки, имеющих постоянную поперечную жесткость по глубине ствола.
-
Комплексное исследование напряженно-деформированного состояния армировки при воздействии эксплуатационных нагрузок, определение рациональных параметров конструкции для различных режимов работы.
-
Разработка методики расчета конструкций безрасстрельной армировки, обладающих постоянной жесткостью.
-
Разработка оптимальных технологических схем монтажа безрасстрельной армировки.
-
Определение технико-экономической эффективности применения предложенных схем и конструкций.
Идея работы. Расширение области применения безрасстрельной армировки достигается включением в конструкцию армировки дополнительной опорной ветви, связывающей несущие ярусы и предназначенной для дискретного опирання проводника, который непосредственно не соединен с консолями и имеет постоянную поперечную жесткость по глубине ствола при определенном сочетании профилей элементов армировки.
Метод исследования - комплексный, включающий системный анализ современных проблем проектирования армировки; методы статистического анализа; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния безрасстрельной армировки в различных условиях
эксплуатации; методы математического моделирования; технико-экономический анализ.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
предложена конструкция безрасстрельной армировки, имеющая дополнительную опорную ветвь для обеспечения постоянной поперечной жесткости армировки по глубине ствола и расширения области применения консольных расстрелов;
установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния безрасстрельной армировки с дополнительной опорной ветвью в различных условиях эксплуатации, позволяющие определять рациональные конструктивные параметры элементов армировки;
разработана научно-обоснованная методика расчета безрасстрельной армировки с дополнительной опорной ветвью, включающая определение прочностных и деформационных параметров конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.
На защиту выносятся следующие научные положения:
постоянство поперечной жесткости проводника безрасстрельной армировки может быть обеспечено включением в конструкцию дополнительной опорной ветви при среднем отношении соответствующих моментов инерции поперечных сечений проводника и опорной ветви пср=2,28;
изменение длины консольных расстрелов в пределах L=300-s-1500 мм и размеров их сечений в рамках существующих типоразмеров не влияет на постоянство поперечной жесткости проводника армировки, достигнутое соответствующим подбором профилей проводника и опорной ветви;
включение в конструкцию безрасстрельной армировки дополнительной опорной ветви позволяет расширить область применения консольных расстрелов в вертикальных стволах с высокой интенсивностью подъема: при креплении на консоли одной нитки проводника - до 9-Ю6 Дж: при креплении двух ниток проводников - до 6-10-Дж.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается комплексным анализом полученных данных, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, инженерно-техническими проработками и проектными решениями, использованием нормативной базы.
Научное значение работы заключается в обосновании возможности и целесообразности обеспечения постоянной жесткости безрасстрельной армировки по глубине ствола путем включения в конструкцию дополнительной опорной ветви.
Практическое значение работы заключается в разработке конструктивных и технологических решений безрасстрельной армировки, позволяющих расширить область ее применения и достичь высоких технико-экономических показателей.
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международном научном симпозиуме «Неделя горняка - 2002» (Москва, январь 2002 г.), XLIX, L, LI научных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты 2001-2003 гг.). Основные конструктивные и технологические решения безрасстрельной армировки, разработанные в диссертационной работе, были представлены на первой специализированной международной выставке «ТЭК: Уголь. Нефть. Газ» прошедшей 15 - 18 мая в г. Ростов - на - Дону; выставке «Инновации ЮРГТУ» посвященной 95-летию ЮРГТУ и проведенной 25 - 30 октября 2002 г. в рамках Всероссийского совещания «Совершенствование управлением Вузом в современных условиях»; «Всероссийской выставке - ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации» прошедшей 4-7 мая 2003 г. в г. Новочеркасске.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и четырех приложений, содержит 107 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 14 таблиц, список использованной литературы из 79 наименований.
