Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки

Развитие промышленного комплекса России требует реструктуризации и реконструкции угольной промышленности страны, что неразрывно связано со строительством новых и модернизацией действующих угольных шахт.

В современных условиях перехода экономики на рыночные отношения особое значение приобретает задача снижения затрат на строительство и поддержание горных выработок.

В общем комплексе современного горнодобывающего предприятия с подземным способом разработки наиболее ответственным сооружением является шахтный ствол с армировкой, обеспечивающей направленное движение подъемных сосудов. Армировка оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, его стоимости (до 15%), сроков строительства, а также на производительность, надежность и экономичность работы подъемных установок. Поэтому одним из направлений снижения затрат при строительстве и реконструкции шахтных стволов может быть оптимизация решений технологий армирования и схем армировки стволов.

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, а также благодаря устоявшейся традиции в проектировании и монтаже армировок и накопленному опыту в строительстве и эксплуатации армировок такого типа.

Однако наряду с указанными преимуществами традиционные жесткие многорасстрельные конструкции армировки в ряде случаев не соответствуют современному уровню технологии строительства и эксплуатации шахт, поскольку обладают рядом существенных недостатков, к которым относятся :

— большая трудоемкость изготовления, монтажа и антикоррозионной защиты;

— высокая металлоемкость (50−200 т на 100 п.м. ствола);

— многодетальность (более 20 позиций монтажных элементов в одном ярусе);

— большое аэродинамическое сопротивление, увеличивающее энергозатраты;

— переменная податливость элементов армировки по глубине ствола.

Одним из направлений усовершенствования схем и конструкций армировки с целью устранения указанных недостатков является создание безрасстрельных схем, отличающихся более высокими технико-экономическими показателями. Применение в этих схемах консольных или консольно-распорных расстрелов позволяет увеличить жесткость армировки, сократить расход металла и трудоемкость работ, снизить аэродинамическое сопротивление ствола, а также создает возможность для спуска крупногабаритных грузов и ведения армирования в процессе проходки ствола.

Однако, промышленное внедрение данных схем сдерживается недостаточностью отечественного опыта армирования безрасстрельными конструкциями, неразработанностью методических основ расчета и отсутствием технологических схем монтажа армировок такого типа.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке и унификации безрасстрельных схем и конструктивных решений армировки, созданию методических основ расчета и технологических схем армирования.

Цель работы — создание методических основ проектирования и эффективной технологии армирования вертикальных стволов безрасстрельными конструкциями армировки.

Под технологией армирования понимается совокупность конструкции армировки и основных процессов ее возведения.

Идея работы — повышение технико-экономической эффективности жесткой армировки достигается применением безрасстрельных конструкций в виде консоли с распором, расположенным под углом X к ней, изменяющимся от 0° (чисто консольная схема) до 90° (консольно-распорные схемы) в зависимости от расположения подъемных сосудов и эксплуатационных нагрузок на армировку.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ и обобщение современного состояния армирования вертикальных стволовметоды статистического анализатеоретические исследования напряженно-деформированного состояния и расчет параметров элементов безрасстрельных армировоктехнико-экономический анализ.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

— установлены возможность и целесообразность решения унифицированного ряда сечений вертикальных стволов безрасстрельными (консольными или кон-сольно-распорными) конструкциями армировки;

— разработаны конечно-элементные модели консольной и консольно-распорной армировок с учетом наиболее неблагоприятного сочетания эксплуатационных нагрузок, позволившие исследовать напряженно-деформированное состояние безрасстрельных армировок;

— установлены закономерности изменения жесткости консольных и консоль-но-распорных армировок в точках крепления проводников от геометрических и прочностных параметров конструкции, позволяющие определять рациональные конструктивные параметры армировки;

— с учетом полученных зависимостей разработаны методические основы расчета жесткости консолей, а также напряжений и прогибов проводников;

— установлены допустимые значения длин консолей в зависимости от интенсивности подъема, шага армировки и типа проводников:

— разработаны алгоритм и компьютерная программа расчета жесткости консолей, нагрузок на армировку, напряжений в элементах конструкции и прогибов проводников;

— разработаны алгоритм и компьютерная программа выбора схемы и расчета технико-экономических показателей как для типовых, так и для безрасстрельных армировок, позволяющая определить оптимальную схему армировки для конкретных условий;

— разработана технология армирования безрасстрельными конструкциями.

На защиту выносятся следующие научные положения :

— безрасстрельная армировка может быть конструктивно решена для унифицированного ряда сечений вертикальных стволов с жесткой армировкой в виде консоли с распором. При значении угла между осями консоли и распора А,-~"0 конструкция приобретает вид консоли;

— боковая и лобовая жесткости консоли в точке крепления проводника зависят от отношения расстояния между распором и точкой крепления проводника к длине консоли между крепью и распором а^И, причем условия работы заделок консоли в крепь будут оптимальными при значении а^—И;

— лобовая и боковая жесткости консоли в точке крепления второго проводника (при наличии) зависят от отношения расстояния между точками крепления второго проводника и распора к длине отрезка между крепью и распором а2И. Ослабление лобовой жесткости будет минимальным при значении а2/^=0,4.0,65, а боковой жесткости при значении а2/^=0,3.0,4;

— при значении угла X между осями консоли и распора в пределах 40.70° жесткость системы изменяется незначительно и составляет в боковом направлении 78.82% и в лобовом 83.87% от жесткости системы с углом Ая90°. Поэтому расчет консольно-распорной армировки с углом А,<90° может производиться аналогично расчету с углом Я=90° с учетом коэффициентов ослабления для боковой жесткости Кх, б=0,8 и лобовой — К^=0,85;

— значения максимальной длины консоли зависит, в основном, от двух факторов: шага армировки и интенсивности подъема. Влияние первого фактора является преобладающим при низкой (менее 2,5−106 Дж) интенсивности подъема, второго — при превышении интенсивности подъема 2,5−106 Дж.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, инженерно-техническими проработками и проектными решениями и результатами опытной проверки предложенных технических решений на натурных объектах.

Научное значение работы заключается в разработке и систематизации безрасстрельных схем и конструкций армировки вертикальных стволов и установлении зависимости жесткости армировки от ее геометрических параметров.

Практическое значение работы заключается в:

1) разработке методических основ проектирования безрасстрельных конструкций армировки;

2) разработке технологии армирования стволов безрасстрельными конструкциями ;

3) определении области применения предлагаемых конструкций.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы при разработке рабочей документации жесткой армировки вспомогательного и вентиляционного стволов шахты «Обуховская № 1» и вспомогательного ствола № 4 шахты «Гуковская» в части определения основных параметров комбинированной жесткой армировки стволов с креплением анкерами.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на ХНУ, Х1Л/, Х1/1 научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 1995;1997 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании «Росуголь» «Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов» (г. Шахты,.

1996 г.), заседаниях технических советов АО «Ростовшахтострой» (г. Шахты,.

1997 г.) и института «Ростовгипрошахт» (г. Ростов-на-Дону, 1997 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.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и шахт Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 1996, 1997 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 29 таблиц, список использованной литературы из 90 наименований и 11 приложений, включающих основные результаты исследований, пример расчета по разработанной методике и копии документов, подтверждающих факт внедрения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Прокопов А. Ю. Безрасстрельные схемы армировки. — Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных месторождений. Тез.докл. к научной конференции Шахтинского ин-та НГТУ. 21−27 апреля 1995 г./Под ред. В.И.ПавленкоНовочеркасск: Новочерк.гос.техн.ун-т, 1995 с.47−49.

2. Ягодкин Ф. И., Страданченко С. Г., Прокопов А. Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий. ~ Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр./Новочерк.гос.техн.ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996, 182 с.

3 Прокопов, А Ю. Сравнительный анализ типовых и безрасстрельных схем жесткой армировки вертикальных стволов. — Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок. Межвуз. сб. научн.тр. Новочеркасск: НГТУ.1997. — с.200−204.

4. Прокопов А. Ю. Компьютерное моделирование и расчет жесткой армировки вертикальных стволов шахт. — Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок. Межвуз. сб. научн.тр. Новочеркасск: НГТУ.1997. — с.205−208.

5. Прокопов А. Ю. Безрасстрельные армировки вертикальных стволов шахт. — Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт: Тез.докл. науч.-произв. конф. Шахты, 12−14 июня 1997 г./Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ.1997. — с. 15.

6. Прокопов А. Ю. Разработка методики расчета жесткости безрасстрельных арми-ровок. Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб. научн. тр. / Компания «Росуголь», акционерное общество «Ростовшахтострой» — Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: НГТУ, 1997. — С. 71−78.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная проблема технологии армирования вертикальных стволов безрасстрельными конструкциями армировки, обеспечивающая повышение производительности труда и требуемые эксплуатационные качества при минимальных капитальных затратах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем :

1. Выполнен системный анализ применяемых схем и конструкций безрас-стрельной армировки.

2. Разработан параметрический ряд схем и конструкций безрасстрельной армировки применительно к типовым сечениям вертикальных стволов с жесткой армировкой, используемых в угольной промышленности.

3. Построены конечно-элементные модели консольной и консольно-распорной армировки, и с их помощью исследована зависимость лобовой и боковой жесткостей консолей в точках крепления проводников от геометрических парметров армировок. Установлены зависимости коэффициентов ослабления жесткости консолей, закрепляемых анкерами, от геометрических характеристик консолей и параметров заделок.

4. На основе проведенных исследований разработаны методические основы расчета безрасстрельных армировок с учетом ослабления жесткости конструкции в результате деформации материала заделки анкеров, закрепляющих консоль.

5. На основе анализа технологических особенностей разработана технология арг^ирования вертикальных стволов безрасстрельными конструкциями армировки и обоснованы ее конструктивные параметры.

6. Произведена технико-экономическая оценка разработанных технических решений.