Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния армировки вертикальных стволов 12
1.1. Общие положения 12
1.2. Анализ условий работы крепи и армировки вертикальных стволов 20
1.2.1. Факторы, влияющие на надежность и долговечность армировки 20
1.2.2. Классификация причин нарушения крепи и армировки вертикальных стволов 25
1.2.3. Виды нарушений крепи и армировки вертикальных стволов 28
1.3. Анализ способов замены и ремонта армировки 32
1.3.1. Порядок проведения осмотра состояния армировки 32
1.3.2. Выбор конструктивно-технологических решений по восстановлению армировки 33
1.3.3. Анализ существующих способов ремонта проводников... 34
1.3.4. Анализ существующих способов ремонта расстрелов 37
1.4. Натурные наблюдения за армировкой и изучение современного опыта армирования 45
1.4.1. Армирование вентиляционных стволов № 1 и № 2 шахты им. М.П. Чиха с креплением расстрелов анкерами 45
1.4.2. Реконструкция армировки скипового ствола шахты «Щегловка-Глубокая» 46
1.5. Анализ современных исследований в области разработки схем и конструкций армировки 49
1.6. Цели и задачи исследования 51
2. Разработка ремонтопригодных податливых конструкций армировки для условий деформирующегося породного массива 53
2.1. Общие положения 53
2.2. Использование анкер-инъекторов для крепления несущих элементов армировки 54
2.3. Разработка регулируемого ремонтопригодного узла крепления расстрелов 56
2.4. Разработка универсального податливого узла крепления элементов армировки 58
2.5. Выводы 64
3. Исследование совместной работы крепи и армировки на конечно-элементных моделях 65
3.1 Построение конечно-элементной модели армировки с креплением на анкерах 65
3.2 Расчет параметров безрасстрельной армировки на конечно-элементной модели 78
3.3. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния армировки при использовании податливого узла крепления расстрела 89
3.4. Выводы 93
4. Методические основы расчета армировок вертикальных стволов ... 94
4.1. Основные положения 94
4.2. Определение жесткостных характеристик расстрельных балок ... 96
4.2.1 Расчет коэффициента заделки Р 96
4.2.2 Определение лобовой жесткости 96
4.2.3 Определение боковой жесткости 98
4.2.4 Определение обобщенных безразмерных параметров жесткости системы "сосуд-армировка" 99
4.3. Определение горизонтальных динамических нагрузок, действующих в системе "сосуд-армировка" 100
4.4 Расчет прогибов проводников на ярусе без учета внеш них воздействий со стороны околоствольного массива пород 102
4.5 Расчет напряжений в проводниках на ярусе без учета внешних воздействий со стороны околоствольного массива пород. 103
4.6 Расчет прогибов проводников на ярусе с учетом внешних воздействий со стороны околоствольного массива пород и возможной податливости расстрела 104
4.7 Выводы 109
5. Разработка технологических схем монтажа и замены армировки вертикальных стволов с применением ремонтопригодной подат ливой конструкции узла крепления расстрела 110
5.1 Анализ технологических особенностей армирования стволов 110
5.2 Конструкция и технология применения монтажных шаблонов 114
5.3 Технология и организация работ при армировании ствола... 116
5.3.1 Установка контрольного яруса 116
5.3.2 Установка расстрелов 117
5.3.3 Навеска проводников 119
5.4 Технология и организация работ при переармировании ствола 122
5.4.1 Подготовительный период 122
5.4.2 Технологическая схема подачи новых расстрельных балок к месту установки 122
5.4.3 Демонтаж старой расстрельной балки 123
5.4.4 Монтаж новой расстрельной балки 124
5.4.5 Замена армировки по всей протяженности ствола 125
5.5 Выводы 128
6. Оценка экономической эффективности принятых решений 129
Заключение 138
Литература 141
Приложения 152
- Классификация причин нарушения крепи и армировки вертикальных стволов
- Разработка регулируемого ремонтопригодного узла крепления расстрелов
- Исследование изменения напряженно-деформированного состояния армировки при использовании податливого узла крепления расстрела
- Определение жесткостных характеристик расстрельных балок
Введение к работе
В результате проведенной в России в 90-е гг. XX в реструктуризации угольной отрасли промышленности добыча угля в стране сократилась почти в 2 раза. Ускоренными темпами росла доля природного газа в топливно-энергетическом балансе страны. Учитывая постоянно растущий дефицит газа на внутреннем рынке, уже в ближайшие годы ожидается окончание «газовой паузы» и заметное возрастание роли угля. Поэтому XXI век прогнозируется как век угля.
В связи с этим «Энергетической стратегией Российской Федерации до 2020 г.» предусмотрен рост добычи угля до 430 млн. т в год. Это невозможно без строительства новых и реконструкции действующих угольных шахт. Введение в эксплуатацию новых производственных мощностей связано с увеличением глубины разработки и ухудшением горно-геологических условий, что в свою очередь сказывается на технологии сооружения и способах поддержания вертикальных стволов.
В современных экономических условиях особое значение приобретает задача снижения затрат на строительство и поддержание горных выработок. Поэтому разработка ресурсосберегающих технологий крепления и армирования, а также восстановления рабочих параметров крепи и армировки вертикальных стволов в процессе эксплуатации является актуальной научно-технической и практической задачей.
Армировка оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, его стоимости (до 15%), сроков строительства, а также на производительность, надежность и экономичность работы подъемных установок. Еще большую актуальность приобретает задача выбора рациональных схем и конструкций армировки стволов, пройденных в сложных горногеологических условиях и до больших глубин. В этом случае крепь и армировка могут воспринимать значительные и изменяющиеся во времени на грузки со стороны породного массива, что должно учитываться при проектировании как строительства, так и эксплуатации ствола. Как показывает практика, при эксплуатации стволов в сложных условиях и на больших глубинах затраты на переармирование стволов составляют 30-40% от стоимости сооружения ствола (без учета потерь от снижения производственной мощности шахты в этот период). Поэтому одним из направлений снижения затрат на строительство и эксплуатацию шахтных стволов может быть учет на стадии проектирования армировки ожидаемых воздействий на нее со стороны породного массива и включение в конструкцию расстрелов податливых узлов крепления, позволяющих, как снизить напряжения и деформации в элементах армировки, так и обеспечить ее технологичность и ремонтопригодность.
В настоящее время наибольшее распространение получила жесткая армировка, которая в обозримом будущем сохранит свои позиции благодаря ряду технических преимуществ, а именно: высоким жесткостным и прочностным характеристикам элементов, возможности движения подъемных сосудов с небольшими искривлениями ствола даже при высокой интенсивности подъема и др.
Однако, как показывает проведенный анализ состояния вертикальных стволов шахт Российского и Украинского Донбасса, более половины стволов глубиной свыше 700 м имеют существенные нарушения армировки. Это связано с тем, что на больших глубинах и при наличии неблагоприятных горногеологических условий армировка, кроме эксплуатационных нагрузок со стороны подъемного сосуда, испытывает передаваемое через крепь воздействие со стороны породного массива. По этой причине в элементах армировки могут возникать недопустимые напряжения и деформации, вызывающие аварийное состояние ствола и подъемного комплекса. В действующих нормативных документах по проектированию армировки внешние воздействия на армировку учитываются коэффициентом запаса, который не зависит от глубины, свойств вмещающих пород, наличия геологических нарушений и др. Для более полного учета внешних факторов, влияющих на армировку стволов, проходимых в сложных горно-геологических условиях, и разработки конструктивных решений армировки для таких условий, необходимо изучить совместную работу крепи и армировки под действием нагрузок со стороны породного массива. Для этого необходимо исследовать напряженно-деформированное состояние крепи и армировки, возникающее от совместного действия эксплуатационных и геомеханических воздействий.
Учет таких факторов, как глубина участка ствола, характеристики вмещающих пород (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, удельный вес и др.), наличие геологических нарушений, при проектировании схем и конструкций армировки, позволит выбрать наиболее рациональные параметры проводников и расстрелов, а также предусмотреть конструкции узлов крепления расстрелов, обеспечивающих необходимую податливость или регулируемость положения расстрела.
Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке конструктивных решений армировки для условий деформирующегося породного массива, позволяющих компенсировать смещения пород и стенок крепи, созданию методических основ расчета таких армировок с учетом воздействий со стороны пород и разработке технологических схем армирования и замены армировки с применением разработанных податливых ремонтопригодных конструкций.
Цель работы - разработка научно обоснованных конструктивных решений податливых узлов крепления элементов армировки к стенкам ствола и методики их расчета для условий деформирующегося породного массива, с целью улучшения эксплуатационных качеств и повышения технико-экономических показателей армировки.
Идея работы - заключается в применении ремонтопригодных податливых конструкций узлов крепления расстрела, проектируемых с учетом внешних воздействий со стороны деформирующегося породного массива, что позволяет повысить технико-экономические показатели жесткой арми-ровки.
Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ и обобщение современного состояния армирования и переармирования глубоких вертикальных стволов, а также стволов, пройденных в сложных горно-геологических условиях; наблюдения за состоянием крепи и армировки вертикальных стволов в Восточном Донбассе, методы статистического анализа; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния крепи и армировки на математических моделях; технико-экономический анализ.
Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:
- на основании исследований методом конечных элементов совместного влияния на армировку эксплуатационных (со стороны подъемных сосудов) и внешних (со стороны вмещающих пород) воздействий, установлено, что расчет жесткой армировки вертикальных стволов, проходимых в условиях деформирующегося породного массива, должен производиться с учетом внешних воздействий, зависящих от глубины участка и диаметра ствола;
- установлено, что напряженно-деформированное состояние армировки определяется суммарным воздействием эксплуатационных и внешних нагрузок. Увеличение соответствующих напряжений в элементах армировки за счет воздействия внешних сил может быть учтено поправочным коэффициентом %юеш, зависящим от глубины участка, массы и скорости подъемного сосуда и шага армировки. Величина коэффициента ;&неш Для условий Восточного Донбасса колеблется в зависимости от сочетания указанных факторов от 1 до 5,8;
- доказано, что снижение напряжений в элементах армировки может быть достигнуто применением разработанных податливых узлов крепления расстрелов с использованием распорного элемента и запирающих клиньев, при этом величина снижения в зависимости от интенсивности подъема, шага арми-ровки и нагрузок со стороны породного массива составляет 45 - 65% относительно напряжений, возникающих при жестком креплении расстрелов;
- разработана методика расчета податливой армировки вертикальных стволов для участков деформирующегося породного массива, учитывающая коэффициенты внешних воздействий и снижения напряжений за счет срабатывания узлов податливости армировки.
Обоснованность и достоверность подтверждается статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств, использованием уравнений строительной механики, конечно-элементным анализом с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «Лира-Windows» 9.0, инженерно-техническими проработками и проектными решениями.
Научное значение работы заключается в установлении зависимостей эквивалентных растягивающих и сжимающих напряжений в элементах армировки от эксплуатационных и внешних нагрузок, определяемых с учетом глубины ствола, параметров подъема и армировки, а также обосновании возможности снижения напряжений в армировке при использовании податливых конструкций узлов крепления расстрелов.
Практическое значение работы заключается в:
- разработке новой конструкции податливого ремонтопригодного узла крепления расстрела к стенкам ствола (Патент 2247246 РФ)
- разработке методических основ проектирования податливых конструкций узлов крепления армировки для участков деформирующегося породного массива;
- разработке технологии армирования и переармирования стволов с использованием податливых ремонтопригодных конструкций узла крепления расстрелов;
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы НТЦ «Наука и практика» при разработке рабочей документации жесткой армировки ствола «Северо-Восточный» рудника «Дарасунский» ООО «Забайкалзолото» в части определения основных параметров жесткой армировки ствола с креплением анкерами.
Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка-2004» (г. Москва, МГГУ, 2004 г.), «Неделя горняка-2005» (г. Москва, МГГУ, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Уголь-Mining Technologies 2003», посвященной 60-летию ГОАО «Луганск-гипрошахт» (ДГМИ, г. Алчевск, Украина, 2003), Международной научно-практической конференции кафедры «Строительство шахт и подземных сооружений» ДонНТУ (г. Донецк, Украина, 2005) и LII, LIII и LIV научных конференциях Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2003-2005 гг.), научных семинарах кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» ШИ ЮРГТУ(НПИ) и на секции ГСФ НТС ТулГУ 6 октября 2005 г. Разработка «Ремонтопригодный узел крепления армировки шахтного ствола» удостоена Грамоты Всероссийской выставки-ярмарки научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации «ИННОВ-2003» (г. Новочеркасск, 4-7 мая, 2003). Разработка «Ресурсосберегающая технология армирования глубоких вертикальных стволов» удостоена Диплома Всероссийского инновационного форума «ИННОВ-2005» (г. Новочеркасск, 19-21 мая 2005 г.).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 научных работ и получен 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 151 странице машинопис ного текста, содержит 45 рисунков, 9 таблиц, список использованной литературы из 107 наименований и 6 приложений, включающих основные результаты исследований, копии диплома и грамоты за научные разработки, акта внедрения.
Классификация причин нарушения крепи и армировки вертикальных стволов
Основными причинами разрушения армировки ствола являются: перераспределение напряжений в крепи ствола в результате оконтуривания или частичной подработки охранного целика ствола; коррозия материала армировки, в результате плохой герметизация стыков; нарушение температурного режима в стволе при эксплуатации; воздействие деформирующегося породного массива и др. Нарушения проектного положения расстрелов и проводников происходят также в результате их износа от воздействия движущихся подъемных сосудов, коррозии металла в условиях агрессивных шахтных вод, обрыва канатов подъёмных сосудов, падения посторонних предметов (выскакивания вагонеток из клети) и др.
Анализ причин нарушения крепи и армировки позволил разработать классификацию (рис. 1.3), согласно которой все причины по их происхожде нию разделены на проектные (связанные с неудачными техническими решениями на стадии разведки месторождения, выбора места заложения стволов и проектирования околоствольных выработок и камер), горно-, гидрогеологические и геомеханические (связанные с воздействием сложных горно- и гидрогеологических условий) и строительно-эксплуатационные (включающие последствия технологических нарушений в период строительства, связанные с некачественным контролем за состоянием крепи и армировки, а также с аварийными ситуациями, возникающими за время эксплуатации подъемного комплекса).
Важнейшими проблемами эксплуатации стволов не только в России, но и во многих зарубежных странах являются контроль за состоянием армировки и крепи вертикальных стволов, восстановление целостности крепи, ремонт и замена армировки [81]. Деформация армировки часто связана с деформацией крепи, поэтому проектирование расстрелов и проводников должно позволять их регулировку в вертикальной и горизонтальных плоскостях. В проектируемых в настоящее время конструкциях армировки, элементы податливости, чаще всего, допускают смещение на меньшую величину, чем это происходит на самом деле. При повышении величины горного давления, на крепь из-за подработки стволов и других причин, происходит деформация крепи, которая передается наармировку [2,9,14,81,100].
Как видно из рис. 1.3, наибольшая доля причин, связанных с нарушением крепи и деформации армировки, приходится на строительно-эксплуатационные (66-67%), на втором месте находятся проектные (22-23%) и на третьем месте горно-, гидрогеологические и геомеханические, на долю которых приходится 10-11%. По характеру проявления нарушений крепи и армировки различают следующие виды деформации ствола [58].
Наклон ствола - равномерное изменение профиля стенок ствола относительно вертикальной линии пропорционально увеличению или уменьшению глубины - проявляется вследствие одностороннего сдвижения пород по плоскостям напластования при водопонижении, надработке и подработке. При этом деформация крепи отсутствует, но наблюдается существенный износ проводников.
Искривление ствола - приобретение стволом криволинейного профиля стенок относительно вертикальной линии вследствие неравномерного сдвижения пород по плоскостям напластования при водопонижении, надработке или подработке - влечет за собой образование трещин, сколов, заколов и вывалов крепи, а также изгибы проводников и деформацию расстрелов.
Срезы ствола - ступенчатый профиль стенок ствола относительно вертикальной линии, образовавшийся вследствие скачкообразного сдвижения пород по отдельным плоскостям напластования в области подработки, тектонических нарушений и на границе наносов с коренными породами -способствуют образованию трещин, заколов и вывалов крепи, а также деформации армировки.
Изменение длины ствола {удлинение или укорочение) вследствие влияния зоны опорного давления, уплотнения пород в выработанном пространстве, при водопонижении и пластическом выдавливании слабых слоев пород на больших глубинах, а также в результате разуплотнения пород при надработке сопровождается образованием трещин, заколов и вывалов на отдельных участках ствола, а также деформацией расстрелов и искривлением проводников.
Изменение диаметра по периметру ствола вследствие возникновения неравномерных горизонтальных нагрузок, сжатия по периметру ствола в зонах опорного давления, уплотнения пород в районе выработанного пространства и под ним в результате деформирования массива связано с образованием трещин, заколов и вывалов крепи на протяженных участках, а также продольного изгиба расстрелов и проводников.
Радиальное сжатие ствола - уменьшение поперечного сечения ствола на отдельных участках, расположенных на большой глубине, появляется вследствие упругих и неупругих деформаций контура ствола в зонах опорного давления, при уплотнении пород, пластическом выдавливании слабых слоев и дополнительной пригрузке массива. Оно сопровождается образованием трещин, заколов, вывалов крепи в районе слабых пород, деформацией армировки [43,44,52].
Дефекты элементов армировки могут быть: поверхностными (механический и коррозионный износ, погнутость, забоины, надиры, контактные повреждения в виде ямок выкрашивания); объемными (структурные изменения, накопление усталостных повреждений).
Наиболее характерными общими дефектами являются: расширение или сужение колеи проводников (под влиянием горного давления ширина колеи проводников может изменяться, что делает небезопасным движение подъемных сосудов, которые могут заклиниваться или выти из колеи); ослабление болтов;
Разработка регулируемого ремонтопригодного узла крепления расстрелов
При разработке ремонтопригодных конструкций узлов крепления расстрелов должны соблюдаться следующие требования: - низкая металлоемкость; - простота конструкции; - простота монтажа и демонтажа расстрела; - высокая надежность фиксации расстрела в узле. Исходя из вышеизложенного, предлагается выполнить узел крепления (рис. 2.2) для цельного расстрела двутаврового профиля ремонтопригодным, чтобы монтаж (ремонт) расстрела можно было бы производить без демонтажа узла крепления. Разработанный ремонтопригодный узел отвечает всем требования, изложенным выше. Такой узел позволяет частично совместить армирование ствола с его проходкой. Это положительно скажется на сроках сооружения и ввода в эксплуатацию всего ствола, так как монтаж расстрелов можно производить отдельно от монтажа узла крепления и в любом направлении, т.е. как сверху вниз, так и снизу вверх. В данном узле крепления присутствуют элементы регулируемости, которые обеспечивают возможность регулировки не только вдоль оси расстрела, но и в поперечной плоскости, что является одним из достоинств. Разработанный узел (рис. 2.2) состоит из опорной плиты 2 толщиной 30 мм с овальными отверстиями 1 для поперечной податливости, к которой привариваются две направляющие пластины толщиной 20 мм с ребрами жесткости и продольными отверстиями для обеспечения продольной регулируемости расстрела. Такие же пластины привариваются к верхней и нижней полкам 5 расстрела б из двутаврового профиля, что в результате обеспечивает суммарную податливость узлов крепления с двух сторон и составляет приблизительно около 100-150 мм (для хордальных и центральных расстрелов) и 50-75 мм (для консолей), и при помощи болтов 4 прикрепляют расстрел. Поперечная податливость (70 мм) обеспечивается овальными отверстиями 1 в опорной плите, что позволяет повысить точность установки расстрела.
В результате этого происходит увеличение скорости армирования или замены поврежденных расстрелов на новые за счет того, что не производится демонтаж узла крепления вместе с расстрелом. Вышеизложенные преимущества разработки позволяют обеспечить: - снижение трудоемкости ремонта элементов армировки на 40-45%; - исключение весьма трудоемких операций по разделке лунок под расстрелы и их креплению бетоном; - увеличение темпов замены элементов армировки вертикальных стволов горнодобывающих предприятий в 1,5-1,8 раза; Одновременно с этим наиболее слабым местом узла крепления расстрела к крепи вертикального ствола является анкер 3, удерживающий весь узел. Это связано с тем, что анкер погружается не только в крепь вертикального ствола, но и в окружающий породный массив, который в большинстве случаев обводнен. Отсюда следует, что анкеры находятся в непосредственном контакте с агрессивной средой и более подвержены коррозии, чем сам узел крепления или расстрел. В связи с этим предлагается в опорной плите сделать дополнительные отверстия 1, через которые при необходимости пробуриваются и устанавливаются новые анкера. Для крепления опорной плиты могут использоваться инъекторные анкера (рис. 2.1). Данную конструкцию целесообразно применять только в устойчивых породах, так как она обладает только возможностью механического регулирования, а конструктивную податливость не обеспечивает. Кроме того, к недостаткам можно отнести: - невозможность замены одного профиля другим; - большое количество болтовых соединений; - увеличение размеров плиты из-за дополнительных (запасных) отверстий под анкеры.
Дальнейшее совершенствование конструкции узла крепления расстрела велось в направлении устранения указанных недостатков, в результате чего предложена конструкция податливого узла, который может использоваться в любых горно-геологических условиях. В результате дальнейшего совершенствования конструкции был разработан новый узел (рис. 2.3), обеспечивающий компенсацию продольных и боковых деформаций расстрела при смещении массива и крепи и облегчение работ по установке расстрелов при армировании и ремонте. Новизна данного технического решения подтверждается патентом РФ № 2247246 [71], а ценность и оригинальность - Грамотой Всероссийской выставки-ярмарки «ИН-НОВ-2003». Разработанный ремонтопригодный податливый узел крепления расстрела содержит опорную плиту и анкеры для крепления к стенке ствола, причем конструкция опорной плиты, состоящая из несущей консольной П-образной полки и трапециевидных направляющих, позволяет фиксировать расстрел в заданном положении посредством распорного элемента и запирающих клиньев, и обеспечивает радиальную податливость расстрела при отклонении стенок крепи от проектного положения за счет проскальзывания расстрела в узле. На рис.2.4 показана конструкция предлагаемого узла, в который входят опорная плита (рис. 2.5), распорный элемент (рис. 2.6) и запирающие клинья (рис. 2.7).
Исследование изменения напряженно-деформированного состояния армировки при использовании податливого узла крепления расстрела
Для исследования работоспособности предлагаемого узла крепления расстрела (см. главу 2) и влияния его работы на напряженно-деформированное состояние всей конструкции армировки была разработана конечно-элементная модель, включающая элементы податливости. Как показали исследования, при использовании для крепления рас-стрельных балок податливого ремонтопригодного узла крепления расстрела к крепи происходит относительное снижение максимальных эквивалентных растягивающих и сжимающих напряжений в среднем на 45% от значений, полученных для жестких узлов армировки. Положительный эффект применения данного узла заключается также в перераспределении максимальных эквивалентных напряжений с наиболее слабого места в данных конструкциях - анкера и опорной плиты, на несущие элементы армировки - расстрелы (рис. 3.12). Такой результат достигается благодаря конструктивным особенностям данного узла. Так как расстрельная балка фиксируется в узле путем зажима расстрельной балки между опорной плитой и распорным элементом, то при возникновении критических напряжений происходит проскальзывание расстрела в узле и соответственно снижение главных эквивалентных растягивающих и сжимающих напряжений. Анализ НДС жестких и податливых конструкций с анкерным креплением производился для различных нагрузок на армировку со стороны движущихся подъемных сосудов, которые зависят в свою очередь от массы т и скорости движения V подъемных сосудов. В результате исследования установлено, что при увеличении интенсивности подъема mV2 значительно возрастает разница между НДС жестких и податливых конструкций (рис. 3.13).
Поэтому разработанные податливые конструкции имеют более широкую область применения, в которую входят не только стволы, проходимые в сложных горно-геологических условиях, но стволы с высокой интенсивностью подъема. 1. При расчете напряжений в элементах армировки глубоких стволов необходимо учитывать нагрузки от вмещающего массива пород, передавае мые на армировку через крепь ствола. Степень увеличения напряжений по сравнению с аналогичными базовыми вариантами (без учета нагрузок от массива) значительно колеблется в зависимости от глубины ствола, шага ар мировки массы и скорости подъемного сосуда: - при глубине ствола до 400 м и скорости движения подъемных сосудов более 6 м/с влиянием нагрузок можно пренебречь; - при глубине более 400 м и шаге армировки 6,250 м напряжения в элементах армировки составляют в зависимости от глубины и параметров подъема 102 - 487,5 % от базовых; - при глубине более 400 м и шаге армировки 4,168 м соответственно 102-312% от базовых. 2.
Максимальные концентрации эквивалентных напряжений возникают в местах соединения анкера и опорной плиты узла крепления расстрела к стенке ствола независимо от глубины ствола, шага армировки и типа подъемного сосуда. В этих местах наиболее вероятны снижения несущей способности армировки и, как следствие, ее разрушение. 3. Существенное влияние на увеличение напряжений в армировке вертикальных стволов во всех рассматриваемых случаях (при всех шагах армировки ствола, при всех типах и типоразмерах подъемных сосудов) оказывает глубина. С увеличением глубины происходит увеличение нагрузки на крепь ствола и армировку ствола, что в свою очередь сказывается на увеличении различия между базовым и исследуемым НДС. 4. При использовании для крепления расстрельных балок податливого ремонтопригодного узла крепления (см. главу 2) происходит относительное снижение максимальных эквивалентных растягивающих и сжимающих напряжений в среднем на 45% от значений, полученных для жестких узлов армировки. 5. При увеличении интенсивности подъема mV значительно возрастает разница между НДС жестких и податливых конструкций армировки.
Определение жесткостных характеристик расстрельных балок
Методика расчета армировок разработана основе действующей «Методики расчета жестких армировок вертикальных стволов» с учетом проведенных с помощью компьютерного моделирования исследований и включает: 1) Определение жесткостных характеристик расстрельных балок; 2) Определение горизонтальных динамических нагрузок, действующих в системе «сосуд-армировка»; 3) Определение внешних горизонтальных статических нагрузок, действующих на армировку; 4) Расчет максимальных прогибов проводников на ярусе; 5) Расчет максимальных напряжений в элементах армировки. С учетом проведенных исследований предлагается следующий алгоритм расчета жесткости армировок.
Согласно указанной «Методики ...» жесткость расстрельных балок определяем в местах крепления проводников (точках 1 и 2 на рис. 4.1). Для учета прочностных параметров материала заделки анкеров и инерционных характеристик стержней анкеров, служащих для крепления расстрелов к монолитной бетонной крепи, используем комплексный параметр -коэффициент заделки р, 1/м, равный: где К0 - коэффициент жесткости материала заделки анкеров на сжатие, Н/м ; Е - модуль продольной упругости материала анкеров, Н/м ; /а - момент инерции поперечного сечения анкера относительно центральной оси, м4, равный: - для трубчатого анкера: Расчетные схемы для определения лобовой жесткости вышеописанной схемы армирования приведены на рис. 4.2. где: К - коэффициент, характеризующий влияние крепления концов рас-стрельной балки на ее жесткость; К = 1.0 - для балки с болтовыми соединениями (анкерными) креплением концов расстрельной балки; К = 1.7 - для балки с одним заделанным в крепь ствола концом и болтовым креплением другого; К = 3.2 - для балки двумя заделанными концами в крепь ствола, не имеющих дополнительных связей; К = 2.0 - для балки двумя заделанными концами в крепь ствола, имеющих дополнительных связей; Е - модуль упругости материала (модуль Юнга), Н/м ; h - шаг армировки, м; Jz - момент инерции спаренного проводника относительно центральной оси, нормальной к направлению лобовой нагрузки Рлоб, м . Jnp х - момент инерции поперечного сечения балки относительно центральной вертикальной оси, м ; / - длина расстрельной балки (расстрела) или расстояние между крепью в месте заделки расстрела; ai - расстояние от конца балки до места крепления проводника т.е. места приложения силы; При эксплуатации конструкций армировки в ее элементах могут возникнуть недопустимые напряжения, в результате которых образуются пластические деформации, приводящие к нарушению нормального режима работы армировки или даже к ее разрушению. Поэтому необходимо произво-дить проверочный расчет на максимальные напряжения в элементах армировки. Напряжения проводника под воздействием силы Р определяются формулой где W() — момент сопротивления поперечного сечения проводника, м3; [Оя] -допустимое напряжение проводника на изгиб, МПа, принимаемое равным: - для рельсовых проводников [СТИ] = 350 МПа - для коробчатых проводников Как уже описывалось в предыдущей главе, нагрузки со стороны околоствольного массива оказывают в глубоких стволах существенное влияние на армировку в процессе ее эксплуатации, для этого необходимо ввести поправочный коэффициент Хвнеш, который отражает эти нагрузки, неучтенные в нормативной методике. Для этого необходимо увязать величину прогиба с напряжением, возникающим на ярусе в расстрельной балке в соответствии со следующей расчетной схемой.
