Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики расчета и обоснование параметров консольно-канатных армировок вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики расчета и обоснование параметров консольно-канатных армировок вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок"

На правах рукописи

КОТИКОВ Дмитрий Александрович

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОНСОЛЬНО-КАНАТНЫХ АРМИРОВОК ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С УЧЕТОМ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная,

открытая и строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2010

004600224

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Долгий Иван Емельянович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Козел Атом Михайлович

кандидат технических наук

Ведущее предприятие - ООО «СПб-Гипрошахт».

Защита диссертации состоится 27 апреля 2010 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.06 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1160.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 26 марта 2010 г.

Вильчинский Владислав Борисович

диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

Э.И.БОГУСЛАВСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из самых масштабных сооружений по объему, разнообразию и сложности решений в период строительства и эксплуатации горного предприятия являются вертикальные стволы. Армировка стволов оказывает существенное влияние на стоимость стволов (до 15%), трудоемкость (до 10%), продолжительность строительства, производительность, надежность и экономичность работы подъемного комплекса.

В настоящее время в Российской Федерации эксплуатируются подъемы в вертикальных стволах со скоростями движения подъемных сосудов до 12-14 м/с и концевой нагрузкой до 60 т. В ближайшей перспективе ожидается рост скорости движения подъемных сосудов до 20 м/с с массой загруженных сосудов до 100 т. Это приведет к существенному увеличению динамических нагрузок на элементы армировки, что потребует новых подходов к конструированию, расчету и технологическим решениям по армированию стволов. В настоящее время на ремонт и замену жесткой армировки затрачивается до 30-40% от стоимости сооружения ствола. Поэтому, одним из направлений является усовершенствование конструкций или разработка принципиально новых технических решений по армированию, принимаемых с учетом ряда дополнительных нагрузок и воздействий.

Вопросам разработки новых схем и конструкций армировки, технологии крепления и армирования вертикальных стволов посвящены труды А.Г. Акимова, И.В. Баклашова, C.B. Борщевского, В.Е. Боликова, A.B. Буднака, Н.С. Булычева, A.B. Быкова, В.В. Виноградова, В.И. Голикова, И.Б. Держинского, В.П. Друцко, И.Е. Долгого, Ю.Н. Ермакова, Б.А. Картозии, A.M. Козела, И.Г. Коскова, Ю.Н. Кузнецова, И.Г. Ларонского, В.В. Левита, И.А. Мартыненко, Н.М. Покровского, А.Г. Протосени, Е.В. Петренко, Ю.Б. Пильча, A.A. Пшеничного, А.Ю. Прокопова, И.И. Савина, Ю.И. Свирского, И.С. Стоева, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркина, P.A. Тиркяна, Н.К. Шафранова, Ф.И. Ягодкина и др.

Одним из главных направлений совершенствования жесткой армировки в настоящее время является замена больших расстрелов консольными различной конструкции или переход на канатную ар-мировку. Вместе с тем, консольная армировка из-за невысокой несущей способности может быть успешно применена в стволах с ин-

тенсивностью подъема до 5 МДж. С другой стороны, область применения канатной армировки лимитируется несовершенством фиксирующих устройств на промежуточных горизонтах, узлами соединения подъемного сосуда с направляющими канатами и в увеличении глубины зумпфа для размещения натяжных устройств. На элементы армировки при ее эксплуатации действуют знакопеременные динамические нагрузки от аэродинамических сил, каната и воздействий подъемного комплекса, поэтому проектирование схем и конструкций армировки, а так же технологии армирования вертикальных стволов должно производиться с учетом этих воздействий.

Весьма актуальной задачей в настоящее время является объединение достоинств консольных и канатных армировок и учет на стадии проектирования знакопеременных динамических нагрузок, что приведет к снижению затрат на строительство и эксплуатацию шахтных стволов.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен совершенствованию методики расчета и конструированию консольно-канатной армировки, предназначенной для эксплуатации в глубоких и сверхглубоких стволах с высокой (свыше 9 МДж) и средней (58 МДж) интенсивностью подъема.

Цель работы - обеспечение эксплутационной надежности и экономической целесообразности консольно-канатных армировок на основе выявленных закономерностей изменения величин напряжений при знакопеременных динамических нагрузках в системе «подъемный сосуд - армировка - крепь - массив».

Задачи, решению которых посвящена данная работа:

1. Комплексный анализ применения армировок вертикальных стволов.

2. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов армировки в системе «подъемный сосуд - армировка - крепь - массив» при воздействии знакопеременных динамических нагрузок.

3. Разработка методики расчета конструкций консольно-канатных армировок.

4. Разработка конструкций и схем консольно-канатных армировок.

5. Определение технико-экономической эффективности применения предложенных конструкций и схем.

Идея работы: для увеличения скоростей и масс подъемных сосудов следует объединить элементы канатной и консольной армиро-вок в единую конструкцию.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ современного состояния и фактических данных армировки вертикальных стволов, производственные и виртуальные исследования изменения величин напряжений от динамических знакопеременных нагрузок на систему «армировка - крепь - массив» (система «а-к-м»), моделирование и анализ поля напряжений в системе «а-к-м» и технико-экономический анализ результатов исследования.

Нормативные документы, согласно которым проводились испытания,: ГОСТ 21153.0-75, ГОСТ 10181.0-81, ГОСТ 24452-80.0-75, ГОСТ 24545-81, ГОСТ 27677-88.

Научная новизна:

- установлены закономерности изменения величины нормальных напряжений в элементах системы «армировка - крепь - массив» от динамических знакопеременных нагрузок, которые характеризуются тем, что величины напряжений в консоли при лобовых нагрузках в 5-8 раз больше чем в бетонной крепи в месте заделки и в 30-40 раз больше чем в массиве, а при боковых нагрузках в 20 и 1000 раз соответственно.

- установлены закономерности изменения параметров консоль-но-канатных армировок от интенсивности движения подъемного сосуда от 2,6 МДж до 7,8 МДж.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика определения прочностных и деформационных характеристик элементов консольно-канатной армировки в системе «армировка - крепь - массив» должна базироваться на закономерностях изменения величин напряжений при динамических знакопеременных нагрузках.

2. Расстояние между точками закрепления канатного направляющего при консольно-канатной армировке следует определять в зависимости от величины коэффициента сопротивления проводника поперечному усилию и характеристик подъемного сосуда.

3. Использование консольно-канатной армировки в глубоких стволах, с высокой (до 9 • 10б Дж) и средней (6 • 10б Дж) интенсивностью подъема обеспечивает снижение металлоемкости до 50% по

сравнению с консольной, и уменьшение диаметра ствола до 0,5 м по сравнению с канатной.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния и математического моделирования системы «армировка - крепь - массив», инженерно-техническими проработками и проектными решениями, с использованием нормативной базы.

Практическое значение работы - разработка конструкций без-расстрельной консольно-канатной армировки, снижающих действие циклических нагрузок от движущихся подъемных сосудов и новой методики расчета прочностных характеристик армировок вертикальных стволов.

Реализация работы Результаты исследований были использованы при разработке рекомендаций по ремонту вертикальных стволов ОАО «АПАТИТ»

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на: Конференции молодых ученых «Проблемы природопользования» (СПГШ (ТУ) СПб 2008); 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2007 г.); 6-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2008 г.); 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 2009 г.)

Публикации: по теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК и 1 патент.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения четырех глав и заключения, изложенных на 138 машинописных страницах, содержит 39 рисунков, 18 таблиц, и 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время в мировой и отечественной практике наблюдается устойчивая тенденция к увеличению средней глубины разработки месторождений полезных ископаемых. Это приводит к ухудшению условий эксплуатации стволов и к необходимости увеличе-

ния интенсивности подъема, что требует перехода к новым схемам и конструкциям армировки. В отечественной горнодобывающей промышленности около 75% стволов имеют жесткую армировку, 17% -канатную и 8% - смешенную. Перспективным направлением развития армировок вертикальных стволов в настоящее время является применение безрасстрельных (консольных, консольно-распорных, блочных) конструкций с анкерным креплением и канатных армировок. Особое значение имеет направление развития, включающее в себя достоинства безрасстрельных и канатных армировок.

Современный уровень научных и инженерно-технических знаний в области проектирования армировок вертикальных стволов и передовой опыт технологии армирования накоплен в результате работ, исследований и внедрений проведенных отечественными и зарубежными учеными и инженерами.

Однако в вышеуказанных работах проектирование схем и конструкций армировки рассмотрено без учета целого ряда дополнительных нагрузок и воздействий, характерных для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема.

В первой главе автором выполнен анализ современного состояния армировок вертикальных стволов. Рассмотрены существующие типы армировок, преимущественно используемые в глубоких стволах с высокой интенсивностью подъема. На основе выполненного анализа сформулированы задачи исследования, цель, идея работы и положения, выносимые на защиту.

Во второй главе рассмотрена система «а-к-м» и нагрузки возникающие в ней. Дано аналитическое определение величин напряжений в элементах системы «а-к-м». Рассмотрены величины напряжений полученные в результате компьютерного моделирования. Выполнен анализ результатов исследования.

В третьей главе рассмотрены существующие методики расчета конструкций армировки. Выполнен анализ нагрузок, приходящихся на систему «а-к-м». Приведена методика расчета консольно-канатных армировок.

В четвертой главе рассмотрены направления развития типов армировок вертикальных стволов. Предложены конструктивные схемы консольно-канатной армировки. Проведено сравнение технико-экономических показателей существующих схем армировок с предложенной.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях:

1. Методика определения прочностных и деформационных характеристик элементов консольно-канатной армировки в системе «армировка - крепь - массив» должна базироваться на закономерностях изменения величин напряжений при динамических знакопеременных нагрузках.

Анализ методик по определению прочностных характеристик и размеров элементов позволяет заключить, что все методики рассматривают армировку ствола как набор конструктивных элементов, подверженных тому или другому силовому воздействию. Это не дает возможности оценить величину и характер напряжений при комплексном воздействии на элементы армировки технологических и геомеханических факторов.

При рассмотрении консольно-канатной армировки в системе «а-к-м» в состав сил вызывающих напряжения в консоли входят:

- аэродинамическая сила Раэр;

- сила от крутящего момента несущего каната РмкаН;

- сила, развивающаяся в результате неточности установки армировки Рарм;

- сила удара при контакте Рконх (часть силы инерции движения подъемного сосуда) Рконт = 0,1 • Q.

- крутящий момент на консоли МрК0Нт от силы инерции подъемного сосуда.

Векторные величины сил, действующих на консоль, определяются из зависимостей:

Р =Р -Р = р 4-Р 4-Р -р —р + р + р

верт конт' лоб арм аэр Мкр' бок арм аэр Мкр'

Мкр = Мрконх

При эксплуатации вертикальных стволов элементы их армировок испытывают влияние знакопеременных динамических нагрузок, вызывающих в последних знакопеременные напряжения. При движении подъемных сосудов по стволу, их скорость (Ус) определяется возможностями подъемных машин, конструктивными особенностями армировки и требованиями правил безопасности. При заданной глубине ствола (Нств), и фиксированной скорости движения подъем-

ных сосудов, время (период) цикла (t4) изменения знака напряжения определяется из зависимости t4 = Нств / Vc.

При заданных условиях характер изменения напряжений (<т) будет симметричным (рис. 1).

При симметричном цикле его характеристикой (г) является зависимость:

Г ~ СГщт / Отах,

где сттт - минимальные напряжения цикла, Па; <гтах - максимальные напряжения цикла, Па. Для рассматриваемых условий г = -1.

А X V г л,

А п V V -J t

-!и-».

Рис. 1. Характер изменения величин напряжений в симметричном цикле

При возникновении в лео6ой системе знакопеременных напряжений ее работоспособность может быть оценена пределом выносливости (аг), где индекс (г) является характеристикой цикла. Причинами деформации консоли при контакте с ней движущегося сосуда весом (Q) со скорость (Vc) будут силы, приведенные на рисунке 2.

При контакте движущегося подъемного сосуда с торцом консоли в ней будут возникать напряжения от силовых факторов представленных на рисунке 2. Величины напряжений в рассматриваемом сечении консоли определяются из зависимостей:

Р Р 1 Р 1 M

п - лоб . _ _ бок к . „ _ *- верт к ,__кр

"лоб р » «бок w > «верт Wz z J '

где стЛоб> Обок, сгверт - нормальные напряжения в рассматриваемом сечении, Па; Рбок, РЛОб> Рверт - боковая, лобовая и вертикальная нагрузка соответственно, H; F - площадь поперечного сечения консоли, м2; 1к - расстояние от конца консоли до рассматриваемого сечения, м; Wy.y, W2.z - моменты сопротивления относительно осей z и у

соответственно, м3; - осевой момент сечения, м4; х - касательные напряжения, Па; Мкр - крутящий момент, Н-м.

Условие прочности в данном случае будет иметь вид: где [стг] - предел выносливости, Па; кв - коэффициент запаса выносливости (коэффициент выносливости), сттах.дин -наибольшие динамические напряжения, Па. В свою очередь, условие прочности для динамических напряжений составит: [Один] 2: кд ■ Отах-сит, где [ада] - предел прочности при динамических нагрузках, Па; кд - коэффициент динамики, Остаттах - наибольшие напряжения при статической нагрузке, Па. Таким образом, условие прочности при знакопеременных динамических нагрузках составит:

[Ог] — Кв " Кд • Ощах.стат-

Рис. 2. Схема сил действующих на консоль.

±Рбок - боковая нагрузка, ±РЛОб - лобовая нагрузка, ±РЕерт - вертикальная нагрузка, М,ф - крутящий момент; 1 - крепь ствола, 2 - элемент армировки (консоль), 3 - направляющий канат.

Для разных видов деформаций предел выносливости для стали будет равен: сгшг., = 0,4 страсх, асж-раст, = 0,28 араст, ткас.! = 0,22 страст

Учитывая характер действия нагрузок на консоль (рис. 2.) и взаимосвязь напряжений, можно построить векторную диаграмму напряжений и определить величину и направление результирующего напряжения (арез) в системе (рис. 3). Из диаграммы: О] = 0,47-страс; о2 ~ 0,56-страс; етз = 0,72-страс; а^ = 0,85-(7рас

Расчет прочности заделки консоли зависит от способа ее закрепления. Проверка прочности соединения консоли с бетоном «в лунку» (рис. 4):

т = (Роо/О*Ы рбок.кр. =А,Р-П,

где Рос - нагрузка, действующая по оси консоли, Н; Р^.^ - боковая поверхность армировки заделанной в крепь, м2; [т] - величина допускаемого касательного напряжения для материала крепи, МПа; Акр - толщина крепи, м; П - периметр сечения консоли перпендикулярного ее оси и соприкасающегося с материалом крепи, м.

Рис. 3. Векторная диаграмма для определения величин и направлений результирующего напряжения (0^3)

консоль

ж.

Рис. 4. Принципиальная схема взаимодействия консоли и крепи при осевой нагрузке

При нагрузке действующей перпендикулярно оси консоли систему взаимодействия можно представить в виде (рис. 5.). При этом нагрузка, передающаяся на крепь, будет равна:

Ркр^П^К+ДКРКР'

где Рпер - нагрузка действующая перпендикулярно оси консоли, Н; Дкр - толщина крепи, м; 1к - длина консоли, м.

Ми

консоль

*крепь

' I * пев

А Р -ОХ

кр

Ось консоли

Рп "

/к

пео

Рис. 5. Расчетная схема системы при нагрузке действующей перпендикулярно оси консоли.

Напряжения, возникающие в крепи;

- напряжения от сжатия-растяжения материала крепи по направлению действия нагрузки (рис. 6. косая штриховка);

- касательные напряжения от «сдвига» (рис. 6. крестовая штриховка).

2 3

Рис. 6. Схема площадок действия напряжений при нагрузке, действующей перпендикулярно оси консоли. 1 - крепь ствола, 2 - элемент армиров-ки (консоль), 3 - горный массив, Рпер - нагрузка.

Очевидно, что нагрузка будет действовать по всей поверхности консоли закрепленной в крепь. Величины нагрузки вызывающие напряжения сжатия-растяжения и касательные соответственно составит:

Р

(а + Ъ)

; я.

пер

где а - длина периметра сечения перпендикулярного консоли, соприкасающегося с крепью, параллельная нагрузке, м; Ь - длина сечения периметра консоли, соприкасающегося с крепью, перпендикулярного нагрузке, м; Рпср - нагрузка действующая перпендикулярно оси консоли, Н.

Соответственно, условия прочности будут иметь вид:

о = -

Ь-Д

кр

а-А

кр

При любом из двух типов нагружения влияние на массив арми-ровка оказывает опосредованно, через крепь. При этом передача усилий будет происходить согласно схеме представленной на рис. 7.

При действии нагрузки перпендикулярно оси консоли расчетная схема представлена на рис. 8.

-ьыф—

'^крепь \

консоль с ^

Ч' размерами а] х Ь1

Рис. 7. Схема передачи нагрузки с крепи на массив. Напряжения, возникающие в массиве, будут равны:

^ ___

а~(а1+2Дкр-1В.р)(ь1+2Дкр.1Е-р)'

где - нагрузка на консоль, Н/м; а1 и Ь1 - линейные размеры сечения консоли, м; Л^ - толщина крепи, м; р - угол внутреннего трения материала крепи.

При симметричном расположении анкеров сила, приходящаяся на каждый анкер, составит:

Ра„к=(РПер-0/(1аИК-п),

где Рпер - нагрузка, действующая перпендикулярно оси консоли, Н; 1к - длина консоли, м; 1анк - расстояние от точки крепления анкера к пластине до ее нейтральной оси, м; п - количество анкеров в закреплении.

Рис. 8. Расчетная схема анкерного крепления консоли при нагрузке перпендикулярной ее оси консоли.

Следует отметить, что при расчете параметров как анкерного крепления консоли, так и крепления «в лунку» необходимо учитывать знакопеременный динамический характер нагрузки.

Для подтверждения результатов аналитического расчета было выполнено компьютерное моделирование в программном комплексе

АВАСЗШ, версии 6.7.1. Расхождения полученных результатов с аналитическими расчетами приведены в таблице 1.

Таблица 1. Отклонения результатов моделирования от аналитиче-

Отклонения результатов моделирования от расчетов,%

минимальное среднее максимальное

Для армировки 4,03 7,69 15,44

Для крепи 5,76 10,27 16,41

2. Расстояние между точками закрепления канатного направляющего при копсолыю-канатной армировке нужно определять в зависимости от величины коэффициента сопротивления проводника поперечному усилию и характеристик подъемного сосуда;

При движении по стволу подъемный сосуд вследствие внешних сил отклоняет направляющий канат от вертикального положения. Отклонение канатного проводника от вертикали (и) при движении подъемного сосуда будет зависеть от качества канатного проводника, скорости движения подъемного сосуда, силы натяжения проводника, температурных изменений по трассе ствола и влажности атмосферы. На практике важно знать величину отклонений направляющего каната для определения размеров и массы подъемного сосуда и диаметра ствола в свету.

Наибольшее отклонение проводника от вертикали под действием силы Рщах.гор определяется из выражения:

„ _Рта, 1п(1+р-ь/днат)

ша* 4 р

где Ртах гор - максимальная сила в горизонтальной плоскости, Н; Ь - длина канатного проводника между точками его закрепления, м; Онат - масса натяжного груза, т; р - удельный вес единицы длины проводникового каната, НУм .

Преобразуя приведенную зависимость, имеем:

Ь = д((е(4и"'"р/р'-М)/р).

Анализируя данную зависимость, можно заключить, что зная или задаваясь одним из параметров (Ь или и), можно найти оптимальные параметры консольно-канатной армировки для конкретных горнотехнических условий.

• 11 40т -а- 60т '80т —О- 100т

5 80 -|--Г,--р----

I 60---? --И- А--Л

>. / / / г

О. 50 тв8яжя2зт. ъшмтт&Зя жеая&шаза шагшявраца ишвжжзшв. затушивЕЁ дагзжазжжз I

1 40---/--/--У--

2 30---/----Л-----—

✓--у Т V л-

i ош^-т^^-г- i——__

0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 0,05 отклонения канатного проводника от вертикали (и), м

Рис. 9. Зависимость расстояния между ярусами от величины отклонения канатного проводника от вертикали.

Рассматривая консольно-канатную армировку как конструкцию, обеспечивающую надежную эксплуатацию подъема, необходимо в каждом конкретном случае определить шаг установки консолей (расстояние между ярусами), что возможно при соблюдении условия имах>[и].

На графике (рис. 9) показаны зависимости рациональных расстояний (L, м) между ярусами для подъемных сосудов 40-100 т с проводником - стальным канатом двойной свивки типа TKJI конструкции 6'37 (1+6+15+15)+1; d = 56 мм. натяжением 100 т и скоростью 16 м/с, от отклонения канатного проводника (и, м).

3. Использование консольно-канатной армировки в глубо-

ких стволах с высокой (до 9 • 106Дж) и средней (6 • 106Дж) интенсивностью подъема обеспечивает снижение металлоемко-

сти до 50% по сравнению с консольной, и уменьшение диаметра

ствола до 0,5 м по сравнению с канатной.

#

i 1 <

/ шзгшяэр® / / У * J»

Е f- —А / * * г

> -У* У __ .i Á Г < и-*

5—

Капитальные затраты на армирование стволов могут достигать 15% от общей стоимости их строительства. Снижение этих затрат является одной из актуальных проблем при строительстве и реконструкции глубоких вертикальных стволов. Для сравнения материальных затрат при армировании использовались схемы армировок, приведенные на рис. 10.

Рис. 10. Схемы армирования ствола; а - расстрельная, б - консольно-распорная, в - консольная, г - консольно-канатная.

Диаметр стволов используемый при расчетах составлял 5 -9 м, с шагом 1 м. В качестве типа профиля армировки использовались двутавры №№ 27, 30, 33, швеллеры №№ 22, 24, 27 и рельсы Р36; для консольно-канатной армировки - канаты стальные двойной свивки типа TKJI конструкции 6x37 (1+6+15+15)+1, d = 56 мм. Результаты для ствола DCB = 7 м, приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Удельный расход металла при Рсв -1м.

Тип армировки Расход металла, т/м.

№ двутаврового профиля № швеллерного профиля

27 30 33 2x22 2x24 2x27

Расстрельная 270,0 290,0 312,8 312,0 336,0 365,6

Консольно-распорная 198,0 206,6 216,3 216,0 226,3 239,0

Консольная 180,0 185,7 192,2 192,0 198,9 207,3

Консольно-канатная 87,2 88,6 90,2 90,1 91,8 93,9

Таблица 3. Капитальные затраты при Рсв = 7м.

Тип армировки Капитальные затраты, тыс. руб./м.

№ двутаврового профиля № швеллерного профиля

27 30 33 2x22 2x24 2x27

Расстрельная 1,45 1,54 1,64 1,84 1,98 2,15

Консольно-распорная 1,12 1,16 1,20 1,29 1,34 1,42

Консольная 1,04 1,06 1,09 1,15 1,19 1,24

Консольно-канатная 0,95 0,96 0,97 0,98 0,99 1,00

Исходя из анализа полученных результатов следует, что использование консольно-канатной армировки вместо консольной и расстрельной сокращает расход металла на 50-60% и 70-80% соответственно, что в свою очередь приведет к сокращению расходов на 55-60% и 20-25% соответственно для расстрельной и консольной армировок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научно-технической задачи - обоснование технических и технологических решений по проектированию консольно-канатной армировки вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок от подъемных сосудов и геометрических параметров армировок, направленных на повышение работоспособности армировки и снижение итоговой стоимости строительства и эксплуатации ствола.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

- разработаны методические основы расчета консольно-канатной армировки вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок на ее элементы;

- определены величины и характер распределения напряжений в системе «а-к-м»;

- установлено, что безопасная эксплуатация консольно-канатной армировки может быть достигнута с применением предложенного автором узла соединения подъемного сосуда с канатным направляющим;

- на конечно-элементных моделях исследовано совместное влияние на армировку эксплутационных (со стороны подъемного сосуда) и внешних (со стороны крепи и породного массива) воздействий, возникающих на участках соединения канатного направляющего и консолей;

- обоснованы оптимальные расстояния между ярусами консолей с учетом величины коэффициента сопротивления канатного проводника поперечному усилию и характеристик подъемного сосуда;

- доказано, что использование консольно-канатной армировки сокращает расход металла до 50% по сравнению с консольной, и

уменьшение диаметра ствола до 0,5 м по сравнению с канатной ар-мировками.

Основные результаты диссертации изложены в:

1.Д.А. Котиков. Обоснование конструкции фиксирующего устройства и расчет его элементов при канатной армировке вертикальных стволов // Труды 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 11-13 апреля 2007 г.) с. 82-84.

2. И.Е. Долгий. Д.А. Котиков. Оценка несущей способности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов при буровзрывной технологии // Труды 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 8-10 апреля 2009 г.) т.1. с. 56-59.

3. Д.А. Котиков. И.Е. Долгий. Пути совершенствования армировки главного ствола № 1 Кировского рудника ОАО «Апатит» // Труды 7-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 8-10 апреля 2009 г.) т.1. с. 118-123.

4. Д.А. Котиков. И.Е. Долгий. Пути совершенствования без-расстрельных армировок вертикальных стволов II Труды 6-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута, 9-11 апреля 2008 г.) с. 14-18.

5. Д.А. Котиков. И.Е. Долгий. Обоснование технико-технологических решений строительства вертикальных стволов в условиях ярегского нефте-титанового комплекса // Известия Тульского государственного университета .Естественные науки. Серия науки о земле Вып. 3. с. 62-63.

6. Котиков Д.А. Обоснование надежности консольно-канатной армировки глубоких стволов // Записки Горного института. «Проблемы недропользования» т. 181. СПб. 2009. с. 89-92.

7. Патент № 2374449 «Направляюще-фиксирующее устройство для подъемного сосуда» Опубликовано: 27.11.2009 Бюл. № 33, авт. Котиков Д.А., Долгий И.Е.

РИЦ СПГГИ. 17.03.2010. 3.128. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Котиков, Дмитрий Александрович

Введение.

Глава I. Анализ современного состояния армировок вертикальных стволов.

1.1. Армировки вертикальных стволов.

1.1.1. Жесткие армировки.

1.1.1.1. Жесткие расстрельные армировки.

1.1.1.2. Жесткие консольные армировки.

1.1.2. Канатные армировки.

1.1.3. Комбинированные и смешанные армировки.

1.2. Способы закрепления элементов армировок в стволе.

1.3. Сравнительные характеристики армировок вертикальных стволов.

1.4. Идея работы, цель и задачи исследования.

Глава II. Исследование напряженно-деформированного состояния системы «армировка — крепь — массив» при знакопеременных нагрузках.

2.1. Анализ современных представлений о системе «армировка - крепь -массив».

2.1.1. Система «подъемный сосуд - армировка».

2.1.2. Система «армировка - крепь ствола».

2.1.3. Система «крепь - породный массив».

2.2. Аналитическое определение величин напряжений в системе «армировка -крепь - массив».

2.3. Определение величин и характера распределение напряжений в системе «армировка - крепь - массив» с помощью компьютерного моделирования.

2.4. Анализ результатов исследований.

Глава III. Расчет армировок вертикальных стволов.

3.1. Расчет жестких армировок вертикальных стволов.

3.1.1. Методика расчета элементов конструкций армировок по допустимым напряжениям.

3.1.2. Методика расчета элементов армировки по предельным состояниям.

3.1.3. Методика расчета элементов армировки по условию накопления усталостных повреждений.

3.1.4. Прочностной расчет заделки консолей.

3.1.4.1. Расчет консоли заделанной в лунку.

3.1.4.2. Расчет заделки консоли на анкерах.

3.2. Методика расчета элементов канатных армировок вертикальных стволов.

3.3. Система «армировка - крепь - массив» и анализ нагрузок на нее.

3.3.1. Нагрузки от движения подъемного сосуда.

3.3.2. Нагрузки со стороны массива.

3.4. Методика расчета армировки с учетом знакопеременных циклических динамических нагрузок.

3.5. Методика расчета натяжения направляющих канатов и отклонений подъемного сосуда при движении по трассе ствола.

Глава IV. Разработка рациональных параметров консольно-канатной армировки вертикальных стволов.

4.1. Направление совершенствования взаимодействия в системе «подъемный сосуд - армировка» (Направление совершенствования систем «подъемный сосуд - армировка»).

4.2. Конструкция консольно-канатной армировки с роликом-защелкой.

4.3. Технико-экономические показатели разработанных рекомендаций.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики расчета и обоснование параметров консольно-канатных армировок вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок"

На современном этапе развития горной отросли, ключевую роль в обеспечении добычи твердых полезных ископаемых подземным способом играют капитальные горные выработки. Как к одним из таких выработок, к вертикальным стволам предъявляются повышенные требования обеспечения безопасности и надежности их эксплуатации. С другой стороны, требования, предъявляемые к производственным мощностям предприятий и экономической целесообразности, требуют увеличения пропускной способности вертикальных стволов и грузоподъемности подъемных сосудов.

Вертикальные стволы относятся к 1 классу ответственности, так как их выход из строя приведет к остановке работы всей шахта (рудника). Поэтому эксплутационная надежность стволов на горном предприятии должна быть высокой, а применяемые конструктивные решения по креплению и армированию обеспечивать их длительную безремонтную эксплуатацию.

Армировка составляет существенную часть стоимости ствола (около 15%), трудоемкости (до 10%) и продолжительности строительства, а так же оказывает существенное влияние на производительность, надежность и экономическую эффективность работы подъемного комплекса. Эксплуатация армировки вертикальных стволов осуществляется в сложных климатических, горно- и гидрогеологических условиях, для которых характерны высокая влажность воздуха, значительные сезонные и суточные колебания температур вентиляционной струи, высокая влажность воздуха и т.д.

Поэтому проектирование схем и конструкций армировки, а также технологий армирования вертикальных стволов должны производиться с учетом перечисленных воздействий неизбежных в период эксплуатации стволов. Следует также отметить, что определенное влияние на режим эксплуатации армировки оказывает величина интенсивности подъема, которая в глубоких стволах достигает (8-И-)) • 106 Дж и более.

Одними из главных направлений совершенствования армировки, является замена балочных расстрелов консолями, консольно-распорными, блочными и канатными конструкциями. Это позволяет снизить металлоемкость, трудоемкость и стоимость армировки, а так же аэродинамическое сопротивление в стволе. Расширить область применения консольных армировок можно путем уменьшения величины динамических нагрузок передаваемых на консоли движущимися по стволу подъемными сосудами. Этого можно достичь или идя по пути обеспечения постоянной жесткости армировки по трассе ствола, или созданием систем консольно-канатных армировок.

Поскольку армировка стволов является одним из важных элементов подъемного комплекса, постольку от ее технического состояния и работоспособности зависят эффективность функционирования всего подземного технологического комплекса, а так же безопасность механизированного спуска-подъема людей и грузов. Таким образом, одной из важных проблем, которые возникают в процессе эксплуатации глубоких стволов, является обеспечение надежности функционирования армировки при движении по ним подъемных сосудов в рабочих и в технологически допустимых экстремальных режимах. [1]

Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке конструктивных и технологических решений безрасстрельной армировки, предназначенной для эксплуатации в глубоких и сверхглубоких стволах с высокой и средней интенсивностью подъема.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Котиков, Дмитрий Александрович

Заключение

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой на базе теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научно-технической задачи - обоснование технических и технологических решений по проектированию консольно-канатной армировки вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок от подъемных сосудов и геометрических параметров армировок, направленных на повышение работоспособности армировки и снижение итоговой стоимости строительства и эксплуатации ствола.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

- разработаны методические основы расчета консольно-канатной армировки вертикальных стволов с учетом знакопеременных динамических нагрузок на ее элементы;

- определены величины и характер распределения напряжений в системе «а-к-м»;

- установлено, что безопасная эксплуатация консольно-канатной армировки может быть достигнута с применением предложенного автором узла соединения подъемного сосуда с канатным направляющим;

- на конечно-элементных моделях исследовано совместное влияние на армировку эксплутационных (со стороны подъемного сосуда) и внешних (со стороны крепи и породного массива) воздействий, возникающих на участках соединения канатного направляющего и консолей;

- обоснованы оптимальные расстояния между ярусами консолей с учетом величины коэффициента сопротивления канатного проводника поперечному усилию и характеристик подъемного сосуда;

- доказано, что использование консольно-канатной армировки сокращает расход металла до 50% по сравнению с консольной, и уменьшение диаметра ствола до 0,5 м по сравнению с канатной армировками.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Котиков, Дмитрий Александрович, Санкт-Петербург

1. Прокопов А.Ю., Стандарченко С.Г., Плешко М.С. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов. — Ростов н/Д. 2005. -216с.

2. Прокопов А.Ю., Богомазов A.A., Басакевич C.B. Определение дополнительных нагрузок на жесткую армировку стволов от эксцентриситета загрузки скипов / Вести донецкого горного института / Всеукраинский научно-технический журнал Донецк донту 2006г. С. 18.

3. Гаркуша Н.Г, Храмов A.A. Обзор мирового опыта проектирования жестких армировок вертикальных стволов шахт. Обзорная информация / цниэиуголь, ЦБНТИ Минуглепрома СССР. М.,1982. - 52 с.

4. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт — ВНИИГМ им. М.М. Федорова.- Донецк, 1985.- 170 с.

5. Пособие по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников (к снип П-94-80). Гос. Ком. СССР по народн. Образ., Моск. Горн. Ин-т / Под ред. И.В. Баклашова. М.: Недра, 1989. - 160 с.

6. Прокопова М.В. Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки: Дис./ канд. Техн. Наук. Новочеркасск: ЮРГТ У(НПИ). 2004. - 139 с.

7. Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И., Мартыненко H.A., Нечаенко В.И. Технология строительства вертикальных стволов. М.: Недра, 1997. - 456 с.

8. Манец И.Г., Снегирев Ю.Д., Паршинцев В.П. Техническое обслуживание и ремонт шахтных стволов. 2-е изд., перераб. И доп. М.: Недра, 1979.-327 с.

9. Ягодкин Ф.И., Вестфаль Т.О. Эффективная технология армирования вертикальных стволов / Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности. М.: цниэиуголь, 1990 - Вып. 8. - С. 18 - 30.

10. Патент №2232274 РФ. МКИ 7Е 21 D 7/02. Безрасстрельная армировка вертикального шахтного ствола/ А.Ю. Прокопов, М.С. Плешко. Опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19. - 8 с.

11. Шахтинский ин-т ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2005.-с 132

12. Левит В.В. Разработка и обоснование технологии и параметров армирования вертикальных стволов с применением расстрелов на анкерах: Дис. канд. Техн. Наук. Днепропетровск. Государственная горная академия Украины- 1993.- 166 с.

13. Прокопов А.Ю. Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки: Дисс. . канд. Техн. Наук. — Новочеркасск: НГТУ, 1998. 138 с.

14. Прокопов А.Ю., Плешко М.С. Безрасстрельная армировка вертикального шахтного ствола Патент №2232274 РФ. МКИ 7Е 21 Б 7/02./ Опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19.

15. Горенцвейг И.Г. Прогрессивные конструкции армировок скиповых вертикальных стволов // Уголь. 1984. - № 4. - С. 22-25.

16. Проводник для подъемного сосуда А.с. 1221369 СССР МКИ Е 21 Д 7/02/. Ю.Б. Пильч, Ф.И. Ягодкин. Опубл. 30.03.86. Бюл. №12.

17. Плешко М.С. Совершенствование конструкций безрасстрельной армировки вертикальных подземных сооружений: Дис канд. Техн. Наук. — Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003. 101 с.

18. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива. Дисс. . канд. Техн. Наук. -Новочеркасск: НГТУ, 1998. 101 с.

19. Левит В.В., Ягодкин Ф.И., Будник A.B. Безрасстрельные конструкции армировки с жесткими проводниками Обзорная информация ЦНИИЭИУголь -М., 1993.-20 с.

20. Влияние параметров аварийного торможения подъемной машины на динамику системы «сосуд армировка» // Горная электромеханика и автоматика: Межвед. Науч.-техн. Сб. - 1999. - Вып. 2 (61). - С. 52-57.

21. Плешко М.С., Минкина Г.Н. Перспективы развития жесткой армировки в глубоких стволах / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. Научн. Трудов. Донецк: «Норд — пресс», 2004. - 99 с.

22. Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И., Мартыненко И.А. Технология армирования вертикальных стволов. М.: Недра, 1996. -202 с.

23. Федеральный сборник сметных цен на материалы, изделия и конструкции, применяемые в строительстве (ФССЦ-2001) Утвержден и введен в действие с 28 мая 2003 г. Постановлением Госстроя России от 20.05.2003 г. № 40.

24. Козел A.M. Геомеханические вопросы проектирования и поддержания шахтных стволов. СПб., ООО «Недра», 2001 - 216 с.

25. Беляев Н.М. Сопротивление материалов — М.: Наука, 1965 856 с.

26. Нормы безопасности при проектировании и эксплуатации канатных проводников многоканатных подъемных установок. Макеевка Донбасс: МАКНИИ, 1984.

27. Нормы безопасности при проектировании и эксплуатации канатных проводников одноканатных подъемных установок. Донбасс: МАКНИИ, 1984.

28. Прокопов А.Ю., Тимофеев Д.Н. Определение рациональной области применения жестких и упругих направляющих устройств подъемных сосудов. / Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. Науч. Тр. Часть 1. /

29. Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). Новочеркасск: УПЦ "Набла" ЮРГТУ (НПИ), 2008. - 414 с.

30. СНИП П-94-80. «Подземные горные выработки».

31. Баклашов И.В., Пильч Ю.Б., Ягодкин Ф.И. Современное состояние и основные тенденции развития конструктивных решений жесткой армировки. // Сб.: Строительство предприятий угольной промышленности -М.: ЦНИЭИУголь. 1986, с. 29.

32. Баронский И.В., Смольников Ю.Б., Богомолов В.Д. О долговечности армировки вертикальных стволов с консольными расстрелами // Шахтное строительство. №4, - 1982. С. 20-22.