Обоснование технологических и конструктивных решений по армированию глубоких вертикальных стволов

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, способах поддержания вертикальных стволов, а также степени воздействия неблагоприятных факторов на крепь и армировку.

Армировка оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, его стоимости, 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 горнои гидрогеологических условиях и до больших глубин. В этом случае крепь и армировка могут воспринимать значительные и изменяющиеся во времени климатические, физико-химические воздействия, а также нагрузки со стороны породного массива, что должно учитываться при проектировании, как строительства, так и эксплуатации ствола.

При увеличении глубины разработки для сохранения и повышения производственной мощности шахты необходимо увеличивать интенсивность подъема, т. е. повышать скорость движения и грузоподъемность подъемных сосудов. Это в свою очередь приведет к существенному увеличению как основных, так и ряда дополнительных нагрузок на армировку.

Как показывает практика, при эксплуатации высокоинтенсивных подъемов 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 ряда дополнительных воздействий и нагрузок, требующих применения усовершенствованных конструкций или принципиально новых технических решений. Это позволит как снизить напряжения и деформации в элементах армировки, т. е. улучшить условия ее работы, так и обеспечить технологичность и ремонтопригодность конструкций.

Как показывает проведенный анализ состояния вертикальных стволов шахт Российского и Украинского Донбасса, более 70% глубоких стволов, эксплуатируемых в сложных горнои гидрогеологических условиях, имеют существенные нарушения крепи и армировки.

Учет ряда дополнительных нагрузок и воздействий при проектировании армировки глубоких стволов, оборудованных высокопроизводительным подъемом, позволит выбрать наиболее рациональные схемы армировки, а также предусмотреть конструкции, максимально адаптированные к конкретным условиям эксплуатации и обеспечивающие при необходимости податливость или регулируемость положения расстрелов, антикоррозийную защиту армировки, защиту от экстремальных температурных нагрузок (сезонных перепадов температур) и др.

Поэтому научное обоснование технологических и конструктивных решений по армированию глубоких вертикальных стволов, обеспечивающих высокую интенсивность подъема, путем комплексного учета дополнительных нагрузок и воздействий, является актуальной проблемной.

Диссертационная работа подготовлена на основе обобщения результатов исследований, выполненных в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы ГР 120 105 855 по теме П 53−801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях», фундаментальной НИР № 17.05 по Единому заказ-наряду Федерального агентства по образованию «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», НИР по хоз. договору № 89 «Определение параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки ствола «Северо-Восточный» ОАО «Дарасунский рудник» (с НТЦ «Наука и практика»), НИР по хоз. договору «Исследование нагрузок на жесткую армировку скипового ствола рудника «Узельгинский» ОАО «Учалинский ГОК» (с НТЦ «Наука и практика»), НИР «Исследование коррозионных процессов в элементах армировки», выполненной на основании договоров о международном сотрудничестве между Шахтинским институтом ЮРГТУ (НПИ), Национальным горным университетом (г. Днепропетровск, Украина) и Донецким национальным техническим университетом (г. Донецк, Украина).

Целью работы является обоснование конструктивных и технологических решений по армированию глубоких вертикальных стволов, обеспечивающих снижение затрат при их сооружении и эксплуатации, на основе выявленных закономерностей функционирования системы «подъемный сосуд — арми-ровка — ствол».

Идея работы заключается в комплексном учете особенностей функционирования системы «подъемный сосуд — армировка — ствол» на больших глубинах и при высокой интенсивности подъема для минимизации отрицательных воздействий внешней среды и нагрузок на жесткую армировку посредством рационализации конструктивных и технологических решений по армированию стволов на стадиях проектирования и сооружения.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ современного состояния вопросов проектирования и эксплуатации армировки вертикальных стволов, натурные наблюдения за состоянием крепи и армировки и сезонными изменениями климатических параметров шахтных стволов, экспериментальные исследования скорости коррозии в элементах армировки методом ускоренных коррозионных испытаний, статистический анализ, математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния армировки с использованием современных программно-вычислительных комплексов, методы теоретической механики и физики, технико-экономический анализ, опытно-промышленную проверку результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивные и технологические параметры жесткой армировки глубоких вертикальных стволов определяются закономерностями функционирования системы «подъемный сосуд — армировка — ствол», основанными как на динамическом взаимодействии сосудов и жесткой армировки, так и на воздействиях внешней среды, обусловленных горно-геологическими, физико-химическими и климатическими факторами.

2. С увеличением интенсивности подъема в глубоких стволах возрастают дополнительные лобовые и боковые эксплуатационные нагрузки на жесткую армировку, действующие в горизонтальной плоскости и возникающие вследствие действия кориолисовой силы инерции, аэродинамических сил в местах встречи подъемных сосудов, кручения подъемных канатов, неточности стыков проводников, эксцентриситета загрузки подъемных сосудов и их допустимого отклонения от вертикали, учет которых влияет на конструирование армировки.

3. Направляющие устройства подъемных сосудов, конструктивные и технологические параметры жесткой армировки выбираются с учетом дисси-пативных сил, действующих на проводники в вертикальной плоскости, при этом силы трения скольжения (качения) являются линейной функцией интенсивности подъема.

4. Технологические и эксплуатационные параметры армировки глубоких вертикальных стволов (глубина заделки расстрела (консоли) в крепь, величина продольной регулируемости или податливости расстрела, параметры анкерных узлов крепления и др.) определяются с учетом прогнозируемого радиального отклонения крепи ствола от проектного положения, обусловленного горногеологическими и технологическими факторами и нелинейно зависящего от глубины и диаметра ствола.

5. Конструктивные и технологические параметры жесткой армировки воздухоподающих стволов с анкерным креплением расстрелов (количество, диаметр и длина анкеров, типоразмер профилей расстрелов, зазоры на стыках проводников, наличие узлов податливости, схема армировки и др.) определяются с учетом температурных климатических воздействий, максимальная глубина влияния которых определяется схемой яруса и конструкцией узла крепления расстрелов и колеблется от 100 до 800 м.

6. Оценка долговечности жесткой армировки и выбор антикоррозийных покрытий производятся на основе расчета скорости коррозии профилей, которая определяется в зависимости от минерализации шахтных вод и скорости вентиляционной струи, с помощью уравнения поверхности 2-го порядка общего вида, с учетом напряжений, действующих в элементах армировки.

7. Учет горно-геологических воздействий на армировку осуществляется для глубоких стволов, эксплуатируемых в породах II категории устойчивости и выше, путем введения поправочного коэффициента к расчетному эквивалентному напряжению в элементах армировки, зависящего от глубины ствола, шага армировки, скорости и массы подъемного сосуда.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом большого массива фактических маркшейдерских данных по 74 стволам, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных методов математической статистикинатурными наблюдениями за климатическими характеристиками стволов, проводившимися в течение 10 лет на 16 стволах Российского и 8 стволах Украинского Донбассалабораторными исследованиями коррозионных процессов с использованием апробированного метода ускоренных коррозионных испытаний и их удовлетворительной сходимостью с фактическими данными о коррозионном износе эксплуатируемой армировки стволовконечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния армировки с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «ЛИРA-Windows» 9.2- актами внедрения разработанной методики в проектирование армировки 4 вертикальных стволов и результатами опытной проверки предложенных технических решений на 7 натурных объектах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены новые уравнения для расчета дополнительных лобовых и боковых нагрузок на армировку: вследствие действия на сосуды кориолисо-вой силы инерцииаэродинамических сил, возникающих в местах встречи подъемных сосудовсил вследствие крутящего момента, возникающего в канате под действием растягивающей нагрузкивследствие одновременных эксцентриситета загрузки и допустимого отклонения подъемных сосудов от вертикаливследствие неточности стыков проводниковдиссипативных сил, действующих на проводники в вертикальной плоскости.

2. Разработан алгоритм и усовершенствованная методика расчета горизонтальных нагрузок на армировку на основе определения по номограммам коэффициентов к основным эксплуатационным (лобовой и боковой) нагрузкам, отличающаяся учетом специфики условий функционирования глубокого вертикального ствола.

3. Определены условия, при которых обязателен учет ряда второстепенных горизонтальных нагрузок на армировку, к которым относятся нагрузки, вследствие действия на сосуды кориолисовой силы инерциисилы вследствие кручения подъемных канатовсилы, возникающие вследствие неточности стыков проводников.

4. Получены новые зависимости вертикальных диссипативных сил на армировку от интенсивности подъема, угла отклонения проводников от вертикали и величины выступа на стыках проводников.

5. На основании результатов статистической обработки маркшейдерских замеров геометрических параметров сечений стволов получены зависимости средних и максимальных радиальных отклонений стенок ствола от проектного положения от глубины и диаметра стволов, используемые для определения конструктивных параметров узлов крепления расстрелов и консолей.

6. На основании натурных наблюдений на шахтах Российского и Украинского Донбасса исследованы температурные климатические воздействия на армировку и получены зависимости годовых амплитуд температуры воздуха от глубины ствола при нормальном и экстремальном тепловых режимах эксплуатации воздухоподающих стволов.

7. На основании лабораторных испытаний установлены факторы, влияющие на развитие коррозионных процессов в элементах армировки, и получены новые зависимости скорости коррозии от минерализации шахтных вод, скорости вентиляционной струи и напряжений в конструкциях.

8. На основании численного моделирования определены параметры напряженно-деформированного состояния армировки, возникающего вследствие совместного влияния эксплуатационных нагрузок и горно-геологических воздействий со стороны вмещающего породного массива.

Научное значение работы заключается в разработке методической базы обоснования конструктивных и технологических решений по армированию глубоких вертикальных стволов с высокой интенсивностью подъема с учетом закономерностей формирования дополнительных эксплуатационных нагрузок и специфики условий функционирования горнотехнического сооружения.

Практическое значение работы заключается в разработке:

— алгоритма и усовершенствованной методики расчета горизонтальных и вертикальных нагрузок на армировку с учетом специфики условий эксплуатации глубоких вертикальных стволов с высокой интенсивностью подъема;

— рекомендаций по проектированию параметров заделки (крепления анкерами) расстрелов с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок ствола вследствие горно-геологических и технологических факторов;

— мер защиты элементов жёсткой армировки вертикальных стволов от отрицательного влияния климатических воздействий;

— новых конструкций армировки для эксплуатации в сложных горногеологических условиях (Патент № 2 247 246 РФ) и для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема (Патент № 2 232 274 РФ);

— методики оценки скорости коррозионного износа и выбора средств антикоррозионной защиты;

— технологий армирования вертикальных стволов с использованием разработанных схем и конструкций армировки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы НТЦ «Наука и практика» и Шахтинским институтом ЮРГТУ (НПИ) при разработке следующих проектов:

— рабочей документации жесткой армировки вспомогательного и вентиляционного стволов шахты «Обуховская № 1» в части определения параметров анкерного крепления расстреловрабочей документации армирования вспомогательного ствола № 4 шахты «Гуковская» в части определения основных параметров комбинированной (расстрельной и безрасстрельной) жесткой армировки стволов с креплением анкерами;

— рабочей документации жесткой армировки клетевого ствола «Северо.

Восточный" рудника «Дарасунский» в части проектирования параметров жесткой армировки с учетом температурных воздействий и разработки технологии крепления расстрелов в бетонной крепи стволов, позволяющей компенсировать температурные напряжения и деформации в анкерных узлах крепленияпроекта реконструкции скипового ствола рудника «Ново-Широкин-ский» УК «Русдрагмет» в части разработки технологии замены проводниковпроекта замены армировки в скиповом стволе рудника «Узельгинский» ОАО «Учалинский ГОК» в части расчета основных и дополнительных нагрузок на армировку и разработки технологии переармирования с использованием действующих подъемных сосудовпроекта армирования вентиляционной скважины ООО «Сафьяновская медь — Медин» в части расчета нагрузок на армировку и разработки технологии армирования скважины с использованием регулируемых узлов крепления расстрелов.

Результаты исследований использовались ОАО «Ростовшахтострой» при армировании скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» и ОАО «Белгорхимпром» при разработке проекта проходки и армирования клетевого и скипового стволов Краснослободского рудника РУП «ПО Бела-руськалий».

Результаты исследований внедрены в учебный процесс специальности 130 406 при изучении курсов «Аэрология подземных сооружений», «Шахтное и подземное строительство. Вертикальные стволы» и «Программирование и расчеты на ЭВМ в шахтном строительстве» и специальности 130 404 при изучении курса «Строительство и реконструкция горных предприятий».

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, МГГУ, 2002 — 2008 гг.), Международных конференциях «Форум горняков — 2006» и «Форум горняков — 2007» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина, 2006 и 2007 гг.) — Китайской международной конференции по обмену специалистами и выставке научных достижений (г. Шэньян, Китай, 2006 г.) — Международных научно-практических конференциях «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2002, 2004 — 2008 гг.) — Международной научно-практической конференции «Уголь — Mining Technologies 2003» (ДГМИ, г. Алчевск, Украина, 2003) — Второй международной конференции по проблемам горной промышленности, строительству и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики» (г. Тула, ТулГУ, 2005) — Международных научно-технических конференциях «Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, СибГИУ, 2005 и 2006 гг.) — 40 — 53-й региональных, I и II Международных научно-практических конференциях «Перспективы развития Восточного Донбасса» (ШИ (ф) ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты, 1995 — 2008 гг.) — Всероссийской научно-практической конференции компании «Росуголь» «Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов» (г. Шахты, 1996 г.), научно-производственной конференции компании «Росуголь» и АО «Ростовшахтострой» «Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт» (г. Шахты, 1997 г.) — Международной научной конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» (ДГМИ, г. Алчевск, Украина, 1999), Международной научной конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2001) — Всероссийской выставке-ярмарке, научно-исследовательских работ и инновационной деятельности «ИННОВ-2003» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2003 г.) — Всероссийском инновационном форуме «ИННОВ-2005» (г. Новочеркасск, 2005 г.), региональной научно-практической школе-семинаре «Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий» (Донецкое отделение Академии строительства Украины, г. Донецк, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (АФ ВНУ им. В. Даля, г. Антрацит, Украина) — Международной научно-практической конференции «Перспективы освоения подземного пространства» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина, 2007 г.) — Международной научной конференции «Устойчивое развитие горнорудной промышленности» (КТУ, г. Кривой Рог, Украина, 2007 г.) — Международных научных чтениях по проблемам горного дела и экологии горного производства (АФ ВНУ им. В. Даля, г. Антрацит, Украина, 2007 г.) — Выставке-ярмарке, посвященной 100-летию ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 г.) — Международной научно-практической конференции «Мосты и туннели: теория, исследования, практика» (ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна (ДИИТ), г. Днепропетровск, Украина 2007 г.) — Международной научно-практической школе-семинаре «Прогрессивные технологии строительства, реконструкции, реструктуризации и безопасности в капитальном строительстве предприятий угольной промышленности» (ОАО ГХК «Дон-бассшахтострой», Донецкое отделение Академии Строительства Украины, г. Донецк, 2007 г.) — научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» ТулГУ, кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» ШИ ЮРГТУ (НПИ) — заседаниях технических советов НТЦ «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Ростовшахтострой» (г. Шахты) и ОАО «Ростовгипрошахт» (г. Ростов-на-Дону).

Инновационная научно-техническая разработка «Ремонтопригодный узел крепления армировки шахтного ствола» (авторы Прокопов А. Ю., Силь-ченко Ю.А., Саакян P.O.) удостоена Грамоты Всероссийской выставки-ярмарки «ИННОВ-2003».

Инновационная научно-техническая разработка «Ресурсосберегающая технология армирования глубоких вертикальных стволов» (авторы Прокопов А. Ю., Саакян P.O.) удостоена Диплома П-го Всероссийского инновационного форума «ИННОВ-2005».

Разработка «Защита крепи и армировки вертикальных стволов, эксплуатирующихся в сложных горно-геологических условиях» (авторы Страданченко С. Г., Прокопов А.Ю.) удостоена Серебряной медали Китайской международной выставки научных достижений (г. Шэньян, КНР, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 97 научных работ, в том числе 4 монографии, 2 патента, 91 научная статья, в т. ч. 25 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 28 — за рубежом.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 345 страницах машинописного текста, содержит 174 рисунка, 52 таблицы, список использованной литературы из 361 наименования и 22 приложений, включающих основные расчетные таблицы, результаты исследований, акты внедрения, копии грамот, дипломов, медали.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [17, 100 — 102,142, 150, 174,181 -243, 295−302, 306, 329, 330, 350−353, 358].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе выявленных закономерностей влияния внешней среды на эффективность функционирования глубоких вертикальных стволов изложены научно обоснованные конструктивные и технологические решения по армированию стволов, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны.

Работа соответствует шифру специальности 25.00.22 — «Геотехнология (открытая, подземная, строительная)», ее формуле, а также следующим пунктам области исследования: «научное обоснование параметров горнотехнических сооружений и разработка методов их расчета», «разработка, научное обоснование и экспериментальная проверка геотехнологий или их элементов».

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем: в практику проектирования жесткой армировки внедрена новая система «подъемный сосуд — армировка — ствол», выявление закономерностей функционирования которой позволяет научно обосновывать конструктивные и технологические решений по армированию глубоких вертикальных стволов, оборудованных высокопроизводительными подъемными установкамиразработана новая методика определения дополнительных лобовых и боковых нагрузок на армировку глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема, включающая расчет усилий: вследствие действия на сосуды кориолисовой силы инерцииаэродинамических сил, возникающих в местах встречи подъемных сосудовсил вследствие крутящего момента, возникающего в канате под действием растягивающей нагрузкивследствие одновременных эксцентриситета загрузки и допустимого отклонения подъемных сосудов от вертикаливследствие неточности стыков проводниковвследствие диссипа-тивных сил в вертикальной плоскостиполучены зависимости средних и максимальных радиальных отклонений стенок ствола от проектного положения от глубины и диаметра стволов и обоснованы конструктивные и технологические решения по армированию глубоких стволов с учетом ожидаемых радиальных отклонений крепи вследствие горно-геологических и технологических факторовэкспериментально исследованы температурные климатические воздействия на армировку воздухоподающих стволов, получены зависимости годовой амплитуды температуры воздуха при нормальном и экстремальном тепловых режимах в стволах от глубины, установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния армировки от температурных нагрузок, разработана методика расчета анкерных узлов крепления расстрелов с учетом сезонных колебаний температурвыполнены лабораторные исследования физико-химических воздействий на жесткую армировку, установлены факторы, влияющие на развитие коррозионных процессов в элементах армировки, и получены зависимости скорости коррозии от минерализации шахтных вод, скорости вентиляционной струи и напряжений в конструкцияхустановлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния армировки, возникающего вследствие одновременного действия эксплуатационных нагрузок и воздействий со стороны вмещающего породного массива в зависимости от глубины ствола и параметров подъемаразработаны конструктивные и технологические меры защиты элементов жёсткой армировки вертикальных стволов от отрицательного влияния температурных климатических воздействийсозданы новые конструкции армировки для эксплуатации в сложных горно-геологических условиях, обеспечивающие податливость и ремонтопригодность армировки (Патент № 2 247 246 РФ), и для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема, улучшающие деформационные характеристики системы «подъемный сосуд — армировка» (Патент № 2 232 274 РФ) — разработаны методики оценки скорости коррозионного износа рельсовых и коробчатых проводников и выбора средств их антикоррозионной защитыразработаны технологии армирования вертикальных стволов с использованием новых схем и конструкций армировки, к которым относятся безрастрельные (консольные, консольно-распорные, блочные) армировки, ремонтопригодные податливые узлы анкерного крепления расстрелов, петлевые конструкции хордальных расстрелов, проводники с улучшенными деформационными характеристиками, анкерно-консольные армировки и др.- произведена промышленная апробация разработанных конструктивных и технологических решений по армированию стволов на 7 натурных объектах.