Введение к работе
Одним из самых масштабных подземных сооружений по объему, разнообразию и сложности решаемых в период строительства и эксплуатации задач является вертикальный ствол с армировкой, которая предназначена для обеспечения направленного безаварийного движения по стволу подъемных сосудов различной конструкции. Тип и конструкция армировки оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, сроков и стоимости его строительства, а также на величину затрат, связанных с проветриванием выработок.
В настоящее время глубина эксплуатируемых и строящихся шахтных стволов перешагнула отметку 1000 м и продолжает увеличиваться, при этом горно-геологические и гидрогеологические условия строительства существенно усложняются. Условия работы армировки стволов можно также охарактеризовать как весьма сложные. Конструкции испытывают комплекс постоянных и временных воздействий и нагрузок, увеличивающихся с глубиной ствола и обусловленных сложным процессом взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола».
В отечественной практике армирования вертикальных стволов наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка, конструктивными элементами которой являются расстрелы балочного типа и рельсовые или коробчатые проводники. Опыт ее эксплуатации показывает, что многорасстрельная армировка обладает значительной трудоемкостью и высокой стоимостью монтажа, высоким аэродинамическим сопротивлением.
Одним из главных направлений совершенствования жесткой армировки является замена балочных расстрелов консольными, консольно-распорными и блочными конструкциями (безрасстрельная армировка). Это позволяет исключить рассмотренные выше недостатки жесткой армировки, а также повысить ее несущую способность и создать предпосылки для более широкого применения технологии строительства стволов с одновременным армированием.
В настоящее время отечественными учеными и проектировщиками разработаны методические основы проектирования безрасстрельной армировки, создан альтернативный ряд сечений клетевых и скиповых стволов с консольными, консольно-распорными и блочными конструкциями. На базе этих разработок осуществлено внедрение безрасстрельной армировки при строительстве ряда вертикальных стволов. В то же время широкое внедрение безрасстрельной армировки сдерживается рядом неисследованных вопросов, касающихся особенностей взаимодействия армировки с подъемным сосудом и крепью ствола, нерешенной остается проблема крепления армировки анкерами с учетом необходимости компенсации фактических отклонений крепи от проектного положения. Это приводит к усложнению конструкции армировки и снижению ее технико-экономической эффективности.
Дальнейшее совершенствование расчета элементов безрасстрельной армировки и технологии ее монтажа является актуальной задачей шахтного строительства.
Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемую в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-2013 гг.).
Цель работы. Выбор и обоснование параметров безрасстрельной армировки и технологии ее монтажа в вертикальных стволах на основе вероятностной оценки временных нагрузок на конструкции, c учетом особенностей взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола».
Идея работы. Расчет параметров безрасстрельной армировки вертикальных стволов должен осуществляться на основании анализа взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола» при условии рассмотрения вероятных временных нагрузок на систему с учетом конструкций несущих ярусов и узлов их крепления, конструкции проводников, а также параметров крепи.
Методы исследования включают аналитические расчеты на основе положений и теорем теории вероятностей, численное моделирование системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола» методом конечных элементов, статистический и корреляционный анализ и технико-экономический анализ технологии монтажа армировки в процессе строительства ствола.
Защищаемые научные положения:
1. При взаимодействии движущихся подъемных сосудов с армировкой ствола, на последнюю передается ряд не учитываемых при проектировании временных динамических нагрузок (сила Кориолиса, аэродинамический удар в месте встречи подъемных сосудов, вращающий момент от кручения головного каната и вертикальная нагрузка от неточности положения проводников), величина и одновременность действия которых определяются на основе вероятностной оценки, учитывающей кинематику и тип подъема, глубину ствола, геометрические параметры и количество подъемных сосудов.
2. Величина напряжений в крепи ствола в зоне контакта с армировкой, вызванных динамическими воздействиями, передаваемыми движущимся подъемным сосудом, является функцией скорости подъема и при ее увеличении возрастает по параболической зависимости.
3. Применение комбинированного анкерного крепления консольно-распорной и блочной армировки, предусматривающего установку боковых распоров на опорных кронштейнах, а остальных элементов – на выдвинутых в ствол анкерах, позволяет производить радиальное регулирование армировки в пределах до 10 см без снижения жесткости конструкции.
Новые научные результаты, полученные лично соискателем:
1. Получены аналитические расчетные зависимости для определения величин временных нагрузок на армировку
– от силы Кориолиса на различных по глубине участках ствола с нахождением координат границ наиболее опасного участка;
– аэродинамического удара в месте встречи сосудов на основе вероятностной оценки места встречи скипов при использовании в стволе одной или двух независимых подъемных установок;
– результирующего вращающего момента от кручения головных канатов при использовании одно- и многоканатных подъемных установок на основе вероятностной оценки возможных сочетаний направленности кручения каждого из головных канатов;
– вертикальной силы, вызванной отклонениями проводника, на основе статистического анализа результатов фактической профилировки проводников, с учетом доверительного интервала отклонений для заданной доверительной вероятности.
2. Установлена степенная корреляционная зависимость величины области контакта несущего элемента армировки с горизонтальными плитами кронштейна узла крепления от длины элемента с коэффициентом корреляции 0,9937.
3. Установлена зависимость коэффициента увеличения напряжений в крепи ствола при возникновении нагрузок со стороны армировки, от интенсивности подъема с коэффициентом корреляции 0,9976.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационных исследований обеспечивается использованием апробированных методов теории вероятностей и математической статистики; представительным объемом обработанных данных измерений отклонений проводников от проектного положения; высокими значениями коэффициентов корреляции, полученных автором зависимостей (0,9937 и 0,9976), инженерно-техническими проработками и проектными решениями; внедрением.
Научное значение работы заключается в обосновании параметров безрасстрельной армировки на основе вероятностной оценки временных нагрузок с учетом особенностей взаимодействия системы «подъемный – сосуд – армировка – крепь ствола».
Практическое значение работы заключается в совершенствовании методики проектирования и технологии монтажа ресурсосберегающей безрасстрельной армировки вертикальных стволов с комбинированным анкерным креплением.
Реализация работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Ростовшахтострой» при разработке рабочей документации по армированию вентиляционного ствола №1 шахты «Обуховская №1».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах «Неделя горняка – 2006» и «Неделя горняка – 2007» (МГГУ, г. Москва, 2006 и 2007 гг.), международной конференции «Форум горняков – 2006» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина), на LI – LIII научных конференциях Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) «Перспективы развития Восточного Донбасса» (г. Шахты, 2006 – 2008 гг.), XII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2006 г), международной научной конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (АФ ВНУ им. Даля, г. Антрацит, Украина, 2006, 2007 гг.), международном научно-практическом семинаре «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 2009 г.).
Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, содержит 144 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 29 таблиц, список использованной литературы из 106 наименований.
