Введение к работе
Актуальность работы. Одним из самых масштабных сооружений по объему, разнообразию и сложности решений в период строительства и эксплуатации горного предприятия являются вертикальные стволы. Армировка стволов оказывает существенное влияние на стоимость стволов (до 15%), трудоемкость (до 10%), продолжительность строительства, производительность, надежность и экономичность работы подъемного комплекса.
В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируются подъемы в вертикальных стволах со скоростями движения подъемных сосудов до 12-14 м/с и концевой нагрузкой до 60 т. В ближайшей перспективе ожидается рост скорости движения подъемных сосудов до 20 м/с с массой загруженных сосудов до 100 т. Это приведет к существенному увеличению динамических нагрузок на элементы армировки, что потребует новых подходов к конструированию, расчету и технологическим решениям по армированию стволов. В настоящее время на ремонт и замену жесткой армировки затрачивается до 30-40% от стоимости сооружения ствола. Поэтому, одним из направлений является усовершенствование конструкций или разработка принципиально новых технических решений по армированию, принимаемых с учетом ряда дополнительных нагрузок и воздействий.
Вопросам разработки новых схем и конструкций армировки, технологии крепления и армирования вертикальных стволов посвящены труды А.Г. Акимова, И.В. Баклашова, С.В. Борщевского, В.Е. Боликова, А.В. Будника, Н.С. Булычева, А.В. Быкова, В.В. Виноградова, В.И. Голика, И.Б. Доржинкевича, В.П. Друцко, И.Е. Долгого, Ю.Н. Ермакова, Б.А. Картозии, А.М. Козела, И.Г. Коскова, Ю.Н. Кузнецова, И.Г. Баронского, В.В. Левита, И.А. Мартыненко, Н.М. Покровского, А.Г. Протосени, Е.В. Петренко, Ю.Б. Пильча, А.А. Пшеничного, А.Ю. Прокопова, И.И. Савина, Ю.И. Свирского, И.С. Стоева, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркина, Р.А. Тюркяна, Н.К. Шафранова, Ф.И. Ягодкина и др.
Одним из главных направлений совершенствования жесткой армировки в настоящее время является замена больших расстрелов консольными различной конструкции или переход на канатную армировку. Вместе с тем, консольная армировка из-за невысокой несущей способности может быть успешно применена в стволах с интенсивностью подъема до 5 МДж. С другой стороны, область применения канатной армировки лимитируется несовершенством фиксирующих устройств на промежуточных горизонтах, узлами соединения подъемного сосуда с направляющими канатами и в увеличении глубины зумпфа для размещения натяжных устройств. На элементы армировки при ее эксплуатации действуют знакопеременные динамические нагрузки от аэродинамических сил, каната и воздействий подъемного комплекса, поэтому проектирование схем и конструкций армировки, а так же технологии армирования вертикальных стволов должно производиться с учетом этих воздействий.
Весьма актуальной задачей в настоящее время является объединение достоинств консольных и канатных армировок и учет на стадии проектирования знакопеременных динамических нагрузок, что приведет к снижению затрат на строительство и эксплуатацию шахтных стволов.
Комплекс выполненных автором исследований посвящен совершенствованию методики расчета и конструированию консольно-канатной армировки, предназначенной для эксплуатации в глубоких и сверхглубоких стволах с высокой (свыше 9 МДж) и средней (5-8 МДж) интенсивностью подъема.
Цель работы – обеспечение эксплутационной надежности и экономической целесообразности консольно-канатных армировок на основе выявленных закономерностей изменения величин напряжений при знакопеременных динамических нагрузках в системе «подъемный сосуд – армировка – крепь – массив».
Задачи, решению которых посвящена данная работа:
1. Комплексный анализ применения армировок вертикальных стволов.
2. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов армировки в системе «подъемный сосуд – армировка – крепь – массив» при воздействии знакопеременных динамических нагрузок.
3. Разработка методики расчета конструкций консольно-канатных армировок.
4. Разработка конструкций и схем консольно-канатных армировок.
5. Определение технико-экономической эффективности применения предложенных конструкций и схем.
Идея работы: для увеличения скоростей и масс подъемных сосудов следует объединить элементы канатной и консольной армировок в единую конструкцию.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ современного состояния и фактических данных армировки вертикальных стволов, производственные и виртуальные исследования изменения величин напряжений от динамических знакопеременных нагрузок на систему «армировка – крепь – массив» (система «а-к-м»), моделирование и анализ поля напряжений в системе «а-к-м» и технико-экономический анализ результатов исследования.
Нормативные документы, согласно которым проводились испытания: ГОСТ 21153.0-75, ГОСТ 10181.0-81, ГОСТ 24452-80.0-75, ГОСТ 24545-81, ГОСТ 27677-88.
Научная новизна:
установлены закономерности изменения величины нормальных напряжений в элементах системы «армировка – крепь – массив» от динамических знакопеременных нагрузок, которые характеризуются тем, что величины напряжений в консоли при лобовых нагрузках в 5-8 раз больше чем в бетонной крепи в месте заделки и в 30-40 раз больше чем в массиве, а при боковых нагрузках в 20 и 1000 раз соответственно.
установлены закономерности изменения параметров консольно-канатных армировок от интенсивности движения подъемного сосуда от 2,6 МДж до 7,8 МДж.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика определения прочностных и деформационных характеристик элементов консольно-канатной армировки в системе «армировка – крепь – массив» должна базироваться на закономерностях изменения величин напряжений при динамических знакопеременных нагрузках.
2. Расстояние между точками закрепления канатного направляющего при консольно-канатной армировке следует определять в зависимости от величины коэффициента сопротивления проводника поперечному усилию и характеристик подъемного сосуда.
3. Использование консольно-канатной армировки в глубоких стволах, с высокой (до 9 106 Дж) и средней (6 106 Дж) интенсивностью подъема обеспечивает снижение металлоемкости до 50% по сравнению с консольной, и уменьшение диаметра ствола до 0,5 м по сравнению с канатной.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния и математического моделирования системы «армировка – крепь – массив», инженерно-техническими проработками и проектными решениями, с использованием нормативной базы.
Практическое значение работы – разработка конструкций безрасстрельной консольно-канатной армировки, снижающих действие циклических нагрузок от движущихся подъемных сосудов и новой методики расчета прочностных характеристик армировок вертикальных стволов.
Реализация работы Результаты исследований были использованы при разработке рекомендаций по ремонту вертикальных стволов ОАО «АПАТИТ»
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на: Конференции молодых ученых «Проблемы природопользования» (СПГГИ (ТУ) СПб 2008); 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2007 г.); 6-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2008 г.); 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2009 г.)
Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения четырех глав и заключения, изложенных на 138 машинописных страницах, содержит 39 рисунков, 18 таблиц, и 2 приложения.
