Совершенствование конструкций безрасстрельной армировки вертикальных подземных сооружений

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, гидроэлектростанций. Тип и конструкция армировки оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, сроков и стоимости строительства сооружения, а также на величину затрат, связанных с проветриванием подземных выработок.

В настоящее время глубина современных эксплуатируемых и строящихся шахтных стволов перешагнула 10ОО 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 -г- 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 имеет консольная армировка, но из-за невысокой несущей способности область ее применения ограничивается стволами со средней интенсивностью подъема (4 5 Ю6 Дж).

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.

Идея работы. Расширение области применения безрасстрельной армировки достигается включением в конструкцию армировки дополнительной опорной ветви, связывающей несущие ярусы и предназначенной для дискретного опирания 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 армировкиметоды статистического анализатеоретические исследования напряженно-деформированного состояния безрасстрельной армировки в различных условиях эксплуатацииметоды математического моделированиятехнико-экономический анализ.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

— предложенаконструкция безрасстрельной армировки, имеющая до- ^ полнительную 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 1=300-И 500 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 9−106 Джпри креплении двух ниток проводников — до 6−10® Дж.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается системным анализом полученных данных, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, инженерно-техническими проработками и проектными решениями.

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.), Х11Х, 1, 1.1 научных конференциях ЮжноРоссийского государственного технического университета (г. Шахты 20 012 003 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 — Донувыставке «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 печатных 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Плешко М. С. Анализ современных мер защиты жесткой армировки от нарушений и пути дальнейшего совершенствования конструкций // Состояние и перспективы развития восточного Донбасса: Сб. науч. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. — С.119 — 124.

2. Прокопов А. Ю., Плешко М. С. Новые регулируемые консольно-распорные конструкции армировки вертикальных стволов // Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск. ЮРГТУ, 2001. — С.149 -152.

3. Плешко М. С. Направления совершенствования способов защиты жесткой армировки от деформаций крепи и искривлений стенок ствола //.

Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. — С. 158 — 164.

4. Прокопов А. Ю., Плешко М. С. Совершенствование безрасстрельной армировки вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень./ М: МГГУ, 2002. -№ 10. — С. 240 — 243.

5. Плешко М. С. Исследование деформационных свойств жесткой армировки вертикальных стволов // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. научн. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. — С.69 — 75.

6. Плешко М. С. Безрасстрельная жесткая армировка вертикальных стволов шахт с улучшенными деформационными свойствами // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. научн. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. С. 75 — 78.

7. Прокопов А. Ю., Плешко М. С. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных шахтных стволов // История становления и развития науки в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ): Сб. научн. тр./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. — С.168 — 173.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная проблема расширения области применения ресурсосберегающих безрасстрельных конструкций армировки в вертикальных стволах с подъемом высокой интенсивности.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выполнен системный анализ проблем проектирования, монтажа и эксплуатации жесткой армировки.

2. Разработана конструкция безрассгрельной армировки с дополнительной опорной ветвью, имеющая постоянную поперечную жесткость по глубине ствола, и предложен ряд схем армировки, рекомендуемый для применения в стволах с высокой интенсивностью подъема.

3. Проведено комплексное исследование напряженно-деформированного состояния армировки в различных условиях эксплуатации, по результатам которого установлены рациональные параметры и область применения безрасстрельных конструкций армировки с дополнительной опорной ветвью.

4. На основе выполненных исследований разработана методика расчета безрассгрельной армировки с дополнительной опорной ветвью.

5. На основе анализа технологических и конструктивных особенностей разработаны технологические схемы монтажа армировки.

6. Произведена технико-экономическая оценка разработанных схем и конструкций.