Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование крепления горных выработок металлической крепью из шахтного профиля

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование крепления горных выработок металлической крепью из шахтного профиля"

00504737ь

МАКШАНКИН ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ

На правах рукописи

7J

ОБОСНОВАНИЕ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПЬЮ ИЗ ШАХТНОГО ПРОФИЛЯ

Специальность 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С 4 ОПТ 2012

Кемерово 2012

005047376

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетнс образовательном учреждении высшего профессионального образован! «Кузбасский государственный технический университет имени Т.< Горбачева» на кафедре "Разработка месторождений полезных ископаемь подземным способом".

Научный руководитель -

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Ремезов Анатолий Владимирович

Паначев Иван Андреевич, доктор технических наук, профессо Федеральное государственное бюджетш образовательное учреждение высша профессионального образован!

«Кузбасский государственный техническь университет имени Т.Ф. Горбачева профессор;

Коновалов Леонид Михайлович, кандидат технических наук, ООО «ЦАКк», директор

Ведущая организация -

ОАО «Кузбассгипрошахт»

Защита состоится 18 октября 2012 г. в 15 часов на заседании совета г защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, t соискание ученой степени доктора наук Д 212.102.02 в Федерально государственном бюджетном образовательном учреждении высшег профессионального образования «Кузбасский государственный технически университет имени Т.Ф. Горбачева» по адресу: 650000, г. Кемерово, у: Весенняя, 28. Тел. (3842)39-63-36. E-mail: wi@kuzstu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федеральног государственного бюджетного образовательного учреждения высшег профессионального образования «Кузбасский государственный технически университет имени Т.Ф. Горбачева».

Автореферат разослан « 17 » сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение эффективности работы угольной промышленности невозможно без увеличения темпов проведения подготовительных выработок и обеспечения надежного их поддержания. Опыт разработки угольных месторождений показывает, что наблюдается ухудшение горно-геологических условий и увеличение протяженности поддерживаемых горных выработок. При этом обеспечение устойчивости горных выработок затруднено несовершенством конструкции крепей и технологии крепления, а также отсутствием эффективных средств механизации возведения крепей.

В угольной и горнорудной промышленности России в настоящее время достаточно широко применяются различные виды арочной металлической крепи горных выработок, выполняемые из прокатных профилей. Анализ объемов крепления по различным видам крепей горных выработок для ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Кузнецкуголь», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СУЭК» в г. Ленинске Кузнецком показывает, что доля металлических рамных крепей в общем объеме крепления горных выработок остается значительной и достигает 46-^54%. Только в 2011 году по ОАО «Южный Кузбасс» металлической крепью было закреплено до 25% выработок.

Одним из направлений совершенствования горно-подготовительных работ является конструирование и внедрение новых профилей, позволяющих повысить несущую способность крепи и улучшить технико-экономические показатели при проведении, поддержании и проветривании горных выработок, а также снизить трудоемкость труда горнорабочих.

В связи с этим тема работы, направленная на обоснование крепления горных выработок металлической рамной крепью с усовершенствованным шахтным профилем, является актуальной.

Диссертационная работа выполнена автором в соответствии с планом НИР КузГТУ за 2001-2010 г.г. по темам:

«Изучение процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами и устойчивости горных выработок, разработка и научное обоснование способов строительства подземных сооружений, их восстановление».

Объектом исследования является технология крепления горных выработок.

Предметом исследования является металлическая крепь из специальных шахтных профилей.

Целью работы является обоснование крепления горных выработок металлической крепью для повышения их устойчивости и улучшения проветривания при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процесса взаимодействия нового специального шахтного профиля типа ШП с массивом горных пород, повышающего несущую способность крепи и снижающего коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной выработки.

Задачи исследования.

1. Провести анализ устойчивости крепей и поддерживаемой выработки на основе отечественного и зарубежного опыта применения металлических крепей горных выработок и выявить пути повышения эффективности их применения.

2. Повысить устойчивость и снизить аэродинамическое сопротивление закрепляемой горной выработки путем выбора рациональных геометрически параметров нового профиля металлической крепи;

3. Провести обоснование несущей способности металлической крепи и новых шахтных профилей типа ШП при взаимодействии с массивом горньг пород в выработке, оценить суммарный экономический эффект от е! применения.

Методы исследований включают: аналитический обзор научных рабо отечественных и зарубежных исследователей по разработке и использовании специальных металлических профилей для изготовления металлически: крепей горных выработок; методы сопротивления материалов для расчет прочностных характеристик специальных профилей; математическо моделирование методом конечных элементов взаимодействия крепей массивом горных пород в выработке; технико-экономический анализ п результатам проведенных исследований.

Научные положения:

1. Повышение устойчивости крепи и выработки достигается пр увеличении соотношения между шириной и высотой профиля до значениГ равных 2,9+3,6; при этом моменты сопротивления профиля ШП относительн вертикальной оси увеличиваются в 1,4ч-1,7 раза, а площадь поддержани горной выработки на 97%-И 50%;

2. Увеличение площади поперечного сечения горной выработки в свет на 8% и уменьшение числа арок по длине выработки на 18+27%, позволяе снизить коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработю закрепленной крепью с профилем ШП, на 7+11%;

3. Крепь с профилем ШП по сравнению с профилем СВП имее повышенную несущую способность на 6+17%, предельная глубин проведения подготовительных выработок при креплении профилем ШП-2 составляет 1220+1580 м.

Научная новизна состоит:

в оценке факторов, позволяющих повысить эффективност применения металлических крепей;

- в обосновании направления изменения геометрических параметров профиля металлической крепи для повышения ее несущей способности и снижения коэффициента аэродинамического сопротивления выработок;

- в обосновании взаимодействия металлических крепей с массивом горных пород в горных выработках, обеспечивших более высокую несущую способность крепей с профилем ШП по сравнению с применяемым профилем СВП;

- в установлении зависимостей, позволяющих рассчитать предельную глубину крепления выработок профилем ШП.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным применением современных методов научного анализа и обобщения данных, метода конечных элементов, механики деформируемого твердого тела, сходимостью результатов натурных стендовых испытаний крепей с результатами математического моделирования этих испытаний (не более 10%), положительными результатами внедрения.

Личный вклад автора состоит:

- в определении количественной зависимости между высотой специальных шахтных профилей и площадью поперечного сечения горной выработки в проходке при выемке дополнительного объема горной массы и размещении металлической крепи в выработке;

- в анализе влияния высоты специального шахтного профиля на аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлической крепью из специальных шахтных профилей;

- в проведении исследований по определению влияния параметров поперечного сечения профиля на его прочностные характеристики;

- в разработке нового специального шахтного профиля типа ШП и металлических крепей из данных профилей;

- в проведении математического моделирования взаимодействия крепей с массивом горных пород;

Научное значение работы заключается в установлении факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей из специальных шахтных профилей типа СВП, в решении задачи о взаимодействии крепи с массивом горных пород; в определении рациональных геометрических параметров поперечного сечения профиля, что позволяет получить новый экономичный специальный шахтный профиль типа ШП с повышенной несущей способностью и меньшим значением коэффициента аэродинамического сопротивления крепи.

Практическое значение работы заключается в том, что применение установленных зависимостей позволяет рассчитать предельную глубину проведения горных выработок, с учетом коэффициента бокового распора, при которой металлическая крепь из профилей ШП сохраняет свою несущую способность и обеспечивает устойчивость горной выработки.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на семинарах кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КузГТУ в 2005-^2010 гг.; на научно-практической конференции

студентов и аспирантов КузГТУ в 1999, 2000г.; на I Региональной научн< практической конференции «Влияние научно-технического прогресса г экономическое развитие Кузбасса» КузГТУ в 2007 г.; на XI Международно научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурс Сибири: Сибресурс 2006», а также на технических совещаниях ЗА1 «КузНИУИ», ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «СУЭК», ОА< «Кузбассуголь», ОАО «УК «Южкузбассуголь», а также получил положительные рекомендации о возможности использования разработанног профиля ШП для крепления горных выработок в ОАО «Кузбассгипрошахт: ОАО «СУЭК-КУЗБАСС», ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Южкузбассуголь! На разработанные паспорта крепления горных выработок металлическо рамной крепью из шахтного профиля ШП получено положительно заключение ЗАО «КузНИУИ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 1 печатных работ (одна из них монография) и патент на изобретение, в то числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четыре глав и заключения, содержит 165 страниц печатного текста, 72 рисунка, 4 таблицы, список использованной литературы из 74 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ российского и зарубежного опыт крепления горных выработок. Комплексные исследования п совершенствованию технологии проведения и поддержания горны выработок проведены учеными ИГД им. Скочинского, МГП Кузниишахтостроя, КузНИУИ, КузГТУ, Тульского ГТУ и других учебны; научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов.

Значительный вклад в разработку конструкций металлических рамны крепей внесли И. В. Баклашов, Н. С. Булычев, М. Н. Гелескул, П. В. Егоров, B.I Егошин, Ю. 3. Заславский, В.Н. Каретников, Б. А. Картозия, В.Б. Клейменов, А.] Нуждихин, H.H. Фотиева, А.П. Широков, Г.Г. Штумпф и др.

Результаты их исследований составляют теоретическую и практически основу для дальнейшего совершенствования металлических рамных крепей обеспечения устойчивости горных выработок, а также предотвращени проявлений опасных горно-геологических явлений.

В настоящее время наиболее распространенным видом креп горизонтальных и наклонных горных выработок являются металлически рамные крепи. Они применяются для крепления горизонтальных и наклонны (до 35°) породных и пластовых выработок трапециевидной формы пр вертикальных смещениях горных пород до 100 мм и арочной формы пр вертикальных смещениях горных пород до 350-^400 мм. В Кузбасс применяют подковообразную арочную трехзвенную крепь как жесткой, так податливой конструкции (рис. 1а). Для изготовления металлических рамны крепей применяется специальный желобчатый профиль типа СВ1 (специальный взаимозаменяемый профиль из горячекатаной стали марк

Ст.5) (рис.16). В Кузбассе используют три типоразмера спецпрофилей СВП17, СВП22 и СВП27 для изготовления арочных крепей выработок с сечением в свету соответственно от 9 до 19,2 м2. По специальному заказу также изготавливается СВПЗЗ для крепления горных выработок с сечением 19,0 м2.

а) б)

КИТ-АЗ 16-27

400

Рис.1. Металлическая податливая крепь (а) из специального шахтного профиля СВП (б)

Анализ опыта использования металлических крепей, изготовленных из профилей типа СВП, выявил следующие основные факторы, снижающие эффективность их применения:

1. Не обеспечивается полный контакт соединяемых звеньев по всему контуру поперечного сечения, то есть фланцам, стенкам и днищу, что обуславливает нарушение конфигурации крепи при увеличении нагрузок, отрыв днища профиля и недостаточно высокую несущую способность крепи, особенно в податливом режиме.

2. Для размещения крепи в выработке требуется увеличение площади поперечного сечения выработки на 2,3-Ю ,5м" (19,7+29,5%) и выемка дополнительного объема горной массы на 1 п. м. пройденной выработки 3,5+8,3 м3.

3. Имеет место значительная незакрепленная часть выработки между фланцами смежных рам крепи, которая составляет 85+87% при расстоянии между рамами 1 м. Это приводит к неустойчивости рам и их скручиванию, что объясняется низким соотношением между шириной профиля Ь и его высотой Ь, которое составляет 1,2+1,3 и является недопустимо низким для качественного поддержания выработок.

Устранение недостатков и совершенствование профиля СВП является актуальной задачей и она решалась различными способами. При изготовлении металлической крепи вместо профиля СВП применялась двутавровая балка, также был разработан унифицированный шахтный профиль СВПУ. Однако эти решения не являются приемлемыми, что объясняется следующим. Крепь, изготовленная из двутавра, резко теряет несущую способность и устойчивость, если приложенная нагрузка является косонаправленной, что широко распространено в реальных условиях. Профиль СВПУ, отличающийся

повышенным сопротивлением кручению и изгибу в плоскости крепи, н получил распространения из-за своих конструктивных особснностеГ Увеличение высоты и уменьшение ширины профиля СВПУ привело усилению недостатков, присущих профилю СВП.

Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки новых видо профилей показал, что существующее направление в разработке новых видо профилей заключается в увеличении высоты сечения профиля одновременным уменьшением его ширины при примерно одинаково величине площади поперечного сечения профиля и его мсталлоемкосп Однако данное направление отрицательно влияет на эффективност применения специальных шахтных профилей для изготовлени металлических крепей горных выработок, так как не устраняе вышеуказанные недостатки, присущие крепям из профиля СВП.

В результате анализа были сделаны выводы и сформулированы задач исследования.

Вторая глава посвящена разработке нового шахтного профиля ШГ позволяющего уменьшить аэродинамическое сопротивление и повысит устойчивость закрепляемых горных выработок.

Была исследована зависимость коэффициента аэродинамическог сопротивления выработки от различных факторов и установлено следующее.

1. При увеличении площади поперечного сечения горной выработк Бсв. коэффициент аэродинамического сопротивления а уменьшается, а пр уменьшении Бсв. величина а увеличивается;

2. При продольном калибре крепи А = (5-К>) величина сопротивления а имее максимальное значение, дальнейшее увеличение А = (9^ 10) ведет к уменьшеши величины а, а при А > 10, величина а становится примерно постоянной;

3. При увеличении высоты шахтного профиля Ь коэффициен аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной металлическо крепью, возрастает, а при уменьшении высоты профиля к соответственно снижаете: Причем при увеличении высоты профиля на 1 см рост указанного коэффициент составляет 0,44-10АН ■ с2 / м4 при расстоянии между рамами 1 м.

В работе установлено, что уменьшение коэффициента аэродинамическог сопротивления а горной выработки, закрепленной металлической крепью и шахтных профилей, возможно путем увеличения площади поперечного сечени Бсв. горной выработки и расстояния между соседними элементами крепи, также при сокращении высоты шахтного профиля. Снижение коэффициент аэродинамического сопротивления позволяет уменьшить общешахтну! депрессию и расход электроэнергии на проветривание. Следует отметить, чт уменьшение высоты профиля ведет к соответствующему увеличению величин] сечения Бсв., а увеличение ширины профиля позволяет либо уменьшит незакрепленную часть выработки между соседними рамами, либо увеличит расстояние между соседними элементами крепи.

Таким образом, повышение эффективности применения металлически крепей из профиля СВП может быть достигнуто за счет увеличения площад поддержания массива по контуру рамы крепи и увеличения ее несущей способност'

а также уменьшения площади поперечного сечения горной выработки в проходке и объема выемки горной массы при размещении крепи в выработке. Причем, все перечисленные улучшения могут быть достигнуты за счет уменьшения высоты и увеличения ширины профиля, то есть разработкой нового профиля.

Расчет рациональных геометрических параметров нового профиля крепи проводился аналитическим способом. При заданной площади поперечного сечения изменялись геометрические параметры профиля и производился расчет коэффициентов несущей способности материала, то есть отношения моментов сопротивления сечения профиля к его массе. При этом выделялись профили с теми параметрами, при которых коэффициенты несущей способности были наибольшими. Путем расчета всех возможных значений геометрических параметров профиля были найдены наиболее рациональные, при которых коэффициенты несущей способности материала были более высокими, чем для применяемого профиля СВП.

Таким образом, был разработан новый профиль типа ШП с номерами 13-К32, для которых отношение ширины к высоте составляет 3,6-^2,9 (рис.2).

гИ

3

Рис.2. Специальный шахтный профиль ШП Сравнительные характеристики профилей СВП и ШП приведены в табл. 1.

Таблица 1

к Ширина Высота Площадь Вес Момент Коэффициент

S Ь, мм h, мм попереч- 1п. м, сопротивления, использования

S -е- о ного G, см3 несущей

о. с сечения кг/м способности

с Он о F, см2 материала

н о зс wx Wy Жх

G G

14 121,0 88,0 18,70 14,7 40,7 46,1 2,77 3,14

17 131,5 94,0 21,73 17,1 50,3 57,9 2,94 3,38

СВП 19 136,0 102,0 24,44 19,2 61,3 67,0 3,20 3,48

22 145,4 110,0 27,91 21,9 74,8 77,8 3,42 3,54

27 149,5 123,0 34,37 27,0 100,2 97,8 4,15 3,62

33 166,3 137,0 42,53 33,4 133,5 148,0 4,00 4,43

13 242,1 68,0 20,99 13,46 39,44 66,25 2,93 4,92

16 260,4 74,0 17,11 16,51 51,16 87,02 3,1 5,27

ШП 18 294,1 82,0 23,95 18,84 65,9 96,58 3,5 5,13

21 286,2 88,0 26,68 20,99 75,45 123,72 3,6 5,89

26 309,2 98,4 33,47 26,33 104,6 165,7 3,97 6,29

32 317,6 109,6 41,82 32,9 142,32 204,87 4,32 6,23

Сравнение моментов сопротивления и , а также коэффициентов использования несущей способности материала \¥х ЛЗ и \¥уЛЗ для крепей из профилей СВП и ШП сравниваемых типоразмеров доказывает преимуществ! последних. Значения параметров \¥х и \¥х /в для обоих профилей примера равны, при этом значения параметров \¥у и \VyZG у профиля ШП выше : 1,4-е-1,7 раза, что позволяет повысить устойчивость горных выработок пр) креплении профилем ШП.

За счет увеличения ширины профиля увеличивается площадь поддержали горных пород выработки по контуру рамы крепи на 97+150%, и снижается величин незакрепленной выработки между фланцами смежных рам крепи на 18+27%.

За счет уменьшения высоты профиля и уменьшения числа арок по длин выработки аэродинамическое сопротивление закрепленных горных выработо: снижается на 7+11% по сравнению с крепями из профилей СВП.

Уменьшение высоты профиля позволяет уменьшить площадь поперечног сечения горной выработки в проходке до 8%, что обуславливает снижение объем выемки горной массы на 1 п. м выработки на 2,9+12,5 м3. За счет более рациональны параметров сечения профиля снижение массы и стоимости крепи составляет до 7%.

Таким образом, можно говорить о том, что применение крепи из профиля ИД позволяет улучшить проветривание и повысить устойчивость закрепляемых горны выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.

Третья глава посвящена исследованиям несущей способности крега при взаимодействии ее с массивом горных пород. Поставленная задач; решалась с помощью математического моделирования, для чеп использовался метод конечных элементов (МКЭ).

Это связано с тем, что при сложном сечении профиля и арочной форм крепи ее напряженно-деформированное состояние не поддается точны? аналитическим расчетам. Численные расчеты были выполнены по стандартно] программе МКЭ, для крепей из профилей СВП-22, 27 и ШП-21, 26.

Для проведения расчетов методом МКЭ предварительно для каждого и указанных профилей были рассчитаны их приведенные сечения в форм прямоугольников. Размеры приведенных сечений профилей определялись ш двум условиям: 1) равенству площадей поперечных сечений профилей = 2) равенству моментов сопротивлений на изгиб относительно горизонтально] оси, проходящей через центр тяжести профиля \¥х1 = \¥х2. Использу

известные значения (табл. 1) Б и \УХ были найдены параметры приведенной прямоугольного сечения ЯиЬ:

Ъ-Я2 ■ откУДа

V

Р (1 к '

где Я н Ь - соответственно высота и ширина приведенного прямоугольной сечения профиля.

Соотношение Я/Ьдля рассматриваемых профилей составило 8,9н-10,6, что позволило рассчитывать металлическую крепь как конструкцию, находящуюся в плоском напряженном состоянии.

Промышленное использование арочных крепей возможно только после стендовых испытаний, которые должны подтвердить их работоспособность. Поэтому в работе также первоначально было проведено моделирование стендовых испытаний трехзвенной крепи. Такая крепь состоит их двух стоек и верхняка, все звенья арки соединены между собой скобами с планками и гайками. Податливость крепи достигается за счет сдвигания концов звеньев одного в другой в местах их соединения, которые называются замками. Для крепи жесткой конструкции производится фиксированное закрепление звеньев и податливости не наблюдается.

В натурных условиях стендовые испытания крепей жесткой и податливой конструкции проводились совместно с институтом «КузНИИшахтострой», согласно ГОСТ Р 50910-96 «Крепи металлические податливые рамные» следующим образом (рис. 3). Крепь нагружается вертикально по центральной точке верхняка до нагрузки, когда крепь теряет несущую способность. Испытания проводились в режиме, когда гидроцилиндры, горизонтально расположенные на высоте 1 м от концов стоек, удерживают стойки крепи от горизонтальных смещений.

а) б) в)

Рис. 3. Схема стендовых испытаний крепей жесткой (а) и податливой конструкции (б) по ГОСТ Р 50910-96; конструкция замков (в)

Так как конструктивные элементы крепей изготавливаются из горячекатанной стали, то при расчетах были приняты соответствующие деформационные и прочностные характеристики этого материала: модуль упругости Е = 2Т0" Н/м2, коэффициент поперечных деформаций V = 0,25, прочность на растяжение 4-108 Н/м2.

Для выяснения адекватности применения метода МКЭ для моделирования арочных крепей в первую очередь были проведено моделирование стендовых испытаний крепей жесткой конструкции для двух типоразмеров профилей СВП-22, СВП-27. Геометрия рамной крепи СВП-22 и векторы смещения в масштабе 1:5 в предельном случае нагружения (потере несущей способности) показаны на рис. 4а. Аналогичная качественная картина изменения геометрии крепи жесткой конструкции при потере ее несущей способности наблюдалась в натурных испытаниях у крепей всех типов профилей.

а)

б)

2.0

Критерий Мора оиа, (10® Н/м2)

Критерий Мора 7 п 2 (10 Н/м'}

.0.99

\\

Рис. 4. Изменение геометрии крепи, векторы смещения и распределение остаточной прочности при потере несущей способности крепи в жестком (а) и податливом (б) режиме

На этом рисунке темный цвет (верхняя часть крепи) показывает области разрушения крепи, которые находились по критерию разрушения Мора:

°мо=а1---'а3 (2)

асж

где <Ть ст3 - наибольшее и наименьшее главные напряжения; ор, асж -

пределы прочности металла на растяжение и сжатие, ор/осж=0,1. Потеря

прочности происходит в случае, если амо > ар.

Результаты натурных стендовых испытаний крепи из профиля СВП были предоставлены администрацией института «КузНИИшахтострой» Сопоставление результатов экспериментальных стендовых испытаний с результатами расчетов методом МКЭ основных параметров крепей СВП-22 27, принятых ГОСТом, показало следующее (табл. 2).

Таблица 2

Результаты натурных стендовых испытаний арочных крепей и данных расчета

методом МКЭ_

Тип Несущая Иссушая Погреш- Прогиб Прогиб Погреш-

профиля способность способ- ность верхняка верхняка ность рас-

по стендо- ность по расчета не- по по расче- чета сме-

вым испы- расчетам, сущей спо- испыта- там, мм щении

таниям, кН Р, кН собности, % ниям, мм верхняка,%

Крепи жесткой конструкции

СВП-22 352 312 11 284 260 4,9

СВП-27 415 381 8,2 342 350 2.3

ШП-21 - 344 - - 273 -

ШП-26 - 402 - - 367 -

Крепи податливой конструкции

СВП-22 302 312 9,7 274 260 5,0

СВП-27 405 381 6,0 382 350 8,4

ШП-21 - 364 - - 263 -

ШП-26 - 412 - - 356 -

Отклонения расчетных значений от натурных составляют в среднем: для прогиба верхняка- 3,6%; для несущей способности рамы - 9,6%.

Расчет несущей способности крепей жесткой конструкции с профилем ШП-21 показал, что она превосходит несущую способность крепей с профилем СВП-22 на 10%, а с профилем ШП-26 - на 6% по сравнению с профилем СВП-27.

Трудность моделирования поведения арочной крепи податливой конструкции заключается в том, что замок крепи представляет собой сложную конструкцию для численного и, тем более, аналитического описания его напряженно-деформированного состояния. В работе замок моделировался отдельным сегментом крепи с более низкими деформационными и прочностными характеристиками, чем у материала крепи. Такая модель может учитывать реальные деформационные и прочностные характеристики конструкции замка. Для модели замка были приняты характеристики: модуль упругости Н = 1 • 109 Н/м2, коэффициент поперечных деформаций V = 0,27, прочность на растяжение 107 Н/м2. Геометрия трехзвенной арочной крепи ШП-21 и векторы смещения в масштабе 1:5 в предельном случае нагружения (потере несущей способности) показаны на рис. 46. Откуда видно, что в отличие от жесткой конструкции крепи, потеря несущей способности податливой крепи происходит в первую очередь в элементах податливости -замках.

Сравнение работоспособности крепей с профилем СВП и ШП можно провести по зависимости прогиба верхняка от вертикальной нагрузки Р, для соответствующих типоразмеров профилей арочных крепей, крепь с профилем ШП имеет повышенную несущую способность (см. табл. 2, рис. 5).

Погрешность расчета несущей способности крепи с профилем СВП не превышает 10%, что позволяет использовать метод конечных элементов для адекватного моделирования поведения крепи.

Я, мм 400 --

300 -

200 -

100 -

100 200 300 400 Р, кН Рис. 5. Зависимость прогиба верхняка И от вертикальной нагрузки Р для профилей СВП-22 (1), СВП-27 (2), ШП-21 (3), ШП-26 (4)

Важной дальнейшей задачей является исследование поведения арочных крепей с профилем ШП при взаимодействии с массивом горных пород в подготовительных выработках в различных геомеханических условиях. Для решения поставленной задачи были смоделированы геометрические, деформационные и прочностные характеристики крепи и массива горных пород, а также поставлены граничные условия и условия нагружени: подготовительной выработки. Крепь реальных размеров в плоском сечении по центру профиля, как и массив горных пород, находится в плоско-деформированном состоянии. В массиве горных пород была выделено прямоугольная область с размерами, которые не менее чем в три раз; превосходят размер выработки (рис. 6). В качестве массива горных поро; рассматривался аргиллит и алевролит средней прочности с коэффициентов прочности 2+4, плотностью у = 2500 кг/м3 со следующими деформационными параметрами: модуль упругости Е = 2103 МПа, коэффициент поперечны: деформаций V = 0,26.

Рис.6. Основная расчетная схема задачи и сетка конечных элементов: ABCD - массив горных пород; abed — крепь горной выработки; ef — замок крепи

В первую очередь было рассмотрено состояние массива горных пород вокру ' незакрепленной выработки. Получены следующие результаты. На глубине разработга 200 м выработка сохраняет устойчивость, а на глубине 600 м происходит разрушен» выработки по ее верхнему и боковому контуру и частично в почве (рис. 7а). Обласп разрушения показана темным цветом (при а Мсг>2-106 Н/м2).

Поэтому интерес представляет взаимодействие арочной крепи с массивов горных пород именно на глубине 600 м, которая является предельной глубино! разработки на шахтах Кузбасса. Крепь с профилем ШП-21 полностью сохраняет прочность и устойчивость, что показано на рис. 76. В сечении крепи прочностньи

значения амо принимают значения не более 1+2 108 Н/м2, что значительно меньше

допустимых значений, которые составляют амо а)

= 4-10 Н/м

б)

Критерий Мора о„0,

(106 Н/м2) 2.000

1.333

0.677

— 0.000

Критерий Мора омо,

(108 Н/м2) 14000

12.67

11.33

Рис. 7. Значения критерия Мора оМо в массиве горных пород вокруг незакрепленной выработки (а) и в арочной трехзвенной крепи податливой конструкции с профилем ШП-21 (б) на глубине 600 м

Анализ графиков распределения напряжений в массиве горных пород в сечениях 1,2, 3,4 в направлении от крепи показал, что значения оМо в сечениях 1 и 2 уменьшаются по сравнению со случаем без крепления выработки. При этом разрушение горных пород не наблюдается. Таким образом, наличие крепи с профилем ШП-21 в подготовительных выработках с сечением в свету 9,7 м2 оказывает положительное влияние на геомеханическое состояние массива горных пород, на его устойчивость и целостность.

Далее было исследовано влияние начального напряженного состояния массива горных пород, а именно: глубины разработки Н, определяющей вертикальные напряжения, и коэффициента бокового распора X, задающего горизонтальные напряжения, на прочностное и деформационное состояние крепи с профилем ШП-21. В экспериментах измерялись максимальные значения критерия Мора в верхняке, в стойке и замке при глубине разработки Н= 200,400, 600, 800 м и значениях коэффициента бокового распора Л=0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 (рис.8).

Анализ результатов показал, что из трех рассмотренных элементов крепи наиболее слабым местом является замок, который первым начинает терять прочность при увеличении глубины разработки.

Найденное уравнение регрессии: Нпред =367,6- А + 1112,1, позволяет

вычислить максимальную предельную глубину проведения горной выработки при значении к. при которой крепь сохраняет несущую способность (рис.9).

Значения предельной глубины проведения подготовительной выработки с креплением трехзвенной крепью из профиля ШП-21 по ее прочности находится в диапазоне Нпред = 1220+1580 м для/=0,25+1,25 соответственно.

а)

б)

СГ„о-10-7, Н/м2

<7 -10". н/м-

X/

у

2

/ >-•

/

3 4

Н, м

5

У /

/

* - 3

—^ ^ 2

---- __ 1

Н. м

0 200 400 600 800 1000

200

400 600 800 1000

В)

О" " 10 , Н/м-

76 5 -4 ■ 3 21 ■ О

Рис.8. Значения а.

4 л,;! 1

\

Л ш

ъ*

Н, м

200 400 600 800 1000 , Н/м2 в элементах крепи с профилем ШГТ-21 в зависимосг от глубины разработки Н при коэффициенте бокового распора 1) Х=0,25; 2) А=0,5; 3, /=0,75; 4) А,=1; 5) А.=1,25: а) в верхняке; б) в стойке; в) в замке

Я,

пред»

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Л Рис.9. Зависимость предельной глубины Нпред, м по несущей способности крепи от коэффициента бокового распора X В четвертой главе проводится расчет экономического эффекта пр! промышленном внедрении крепей из профиля ШП.

Основой экономического эффекта является уменьшение металлоемкосп профилей ШП по сравнению с профилем СВП и уменьшение высоты профиля, чт< позволяет уменьшить затраты на проветривание и выемку горной массы пр] размещении крепи в выработке, снизить трудоемкость работ при проходке и врем проходческого цикла. Результаты расчета приведены в табл. 3.

Таблица 3

Расчет экономического эффекта _

№ Вид эффекта Стоимость на 1000 п. м проходки

1 Снижение платы за электроэнергию при возможном уменьшении мощности электродвигателей вентиляторов (П) и снижение энергозатрат на выемку горной массы (Эду) 86595руб.

2 Снижение металлоемкости крепи Эдм 1060935 руб.

3 Снижение трудоемкости работ Эт 56110 руб.

4 Снижение времени проходческого цикла Эк 25253 руб.

Суммарный эффект 1228893 руб.

Экономический эффект при замене профиля СВП27 на профиль ШП-26 составит около 1,2 млн. руб. на 1000 п. м проходки. Реально же большинство шахт имеет десятки и более километров выработок, которые можно крепить более экономичным типом профиля, то есть можно получить эффекты, большие на порядки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой приведены научно-обоснованные технические решения по креплению горных выработок металлической крепью с разработанным профилем ШП, повышающим устойчивость и улучшающим проветривание выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ, имеющие существенное значение для угольной отрасли страны.

Основные научные выводы и рекомендации

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта крепления горных выработок металлической крепью показал, что направление совершенствования крепей заключается в уменьшении высоты и увеличении ширины профиля крепи. Это позволяет увеличить несущую способность крепи и снизить коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной горной выработки.

2. Разработана методика по совершенствованию поперечных сечений специальных шахтных профилей. На ее основе создан специальный шахтный профиль типа ШП с рациональными размерами поперечного сечения (снижение высоты и увеличения ширины профиля) и улучшенными прочностными характеристиками, позволяющими повысить устойчивость и улучшить проветривание закрепляемых горных выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.

3. В результате аналитических исследований моментов сопротивления профиля арочной крепи определена расчетная несущая способность металлических крепей из специальных шахтных профилей типа ШП.

4. Применение крепей с профилем ШП позволяет снизить площадь поперечного сечения выработки в проходке на 8%, объем выемки горной массы на 1 п. м проведения выработки на 2,9-И2,5 м3, коэффициент

аэродинамического сопротивления на 7-И1%, металлоемкость крепи до 7%. Разработанный профиль также позволяет улучшить контактирование и взаимодействие крепи с окружающим выработку горным массивом.

5. Разработана комбинированная металлическая крепь из специального шахтного профиля типа ШП в сочетании со сталеполимерной анкерной крепью, которая имеет повышенную несущую способность на 12ч-75% по сравнению с типичной металлической крепью из специальных профилей типа СВП, без увеличения металлоемкости крепи.

6. Установлено, что использование метода конечных элементов позволяет с достаточной точностью (до 10%) проверять работоспособное™ металлических крепей без проведения стендовых испытаний.

7. Исследования взаимодействия крепи с массивом горных пород I подготовительных выработках показали, что предельная глубина го проведения и крепления с профилем ШП-21 составляет 1220^-1580 м.

8. Экономический эффект от рационального выбора вида и параметро! металлической крепи при альтернативном креплении специальным! шахтными профилями типа СВП и ШП, на 1000 п. м проведения и крепленю горной выработки составляет не менее 1,2 млн. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1.Егошин, В. В. Аэродинамическое сопротивление горных выработок закрепленных металлическими арками из специальных шахтных профилей В. В. Егошин, Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов //Вестник КузГТУ. - 2003.-№4. - С. 29-31 .(издание ВАК)

2. Ремезов, А. В. Преимущества металлического шахтного профиля ШГ над профилем СВП, в том числе в сочетании с анкерным креплением А. В. Ремезов, В. В. Егошин, Д. Н. Макшанин и др. //Вестник КузГТУ. -2004. -№6/2. - С. 31-34. (издание ВАК)

3.Макшанкин, Д. Н. Эффективность аэродинамическоп сопротивления горных выработок, закрепленных рамной металлическо! крепью из специальных шахтных профилей типа СВП и ШП/ Д. Н Макшанкин, А. В. Ремезов // Уголь. - 2007. -№6. - С. 50-52. (издание ВАК)

4.Макшанкин, Д. Н. Определение области допустимых значений дл) нахождения параметров шахтных специальных профилей с улучшенным! характеристиками / Д. Н. Макшанкин, Р. Р. Зайнулин, А. В. Ремезов // Вестни] КузГТУ. -2007. - №6(64).- С. 36-40. (издание ВАК)

5.Макшанкин, Д. Н. Определение интегрированного экономического эффект от рационального выбора вида и параметров крепи при альтернативном креплени профилями топа СВП и типа ШП // Д. Н. Макшанкин, С. В. Новоселов, А. В. Ремезо: // Вестник КузГТУ. -2007.-№6(64). - С. 40-46. (издание ВАК)

В прочих изданиях:

6.Макшанкин, Д. Н. Шахтные профили для крепления подготовительны горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, В. В. Егошин // Научные работы студентов -магистров: сб. науч. тр. КузГТУ. — Кемерово, 1999г. — С. 57-61.

7.Макшанкин, Д. Н. Совершенствование сечений специальных профилей дл

металлической крепи горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, В. В. Егошин // Научные работы студентов-магистрантов: сб. науч. тр. КузГТУ - Кемерово, 2000 - С. 51-60.

8.Макшанкин, Д. Н. Специальный шахтный профиль для изготовления металлических крепей горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов //Топливно-энергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научно-производственный и социально-экономический журнал. - Кемерово, 2006. - С. 61-63.

9.Макшанкин, Д. Н. Экономическая эффективность внедрения для изготовления рамной металлической крепи горных выработок металлического профиля новой конструкции / Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Сибресурс 2006: Материалы XI Междунар. научно-практ. конф. - КузГТУ. - Кемерово, 2006. - С. 188-191.

10.Макшанкин, Д. Н. Эффективность аэродинамического сопротивления горных выработок, закрепленных рамной металлической крепью из специальных шахтных профилей типа СВП и ШП / Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов // Материалы I Региональной научно-практ. конф. «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса», КузГТУ. - Прокопьевск, 2007. - С. 126-133.

11.Ремезов, А. В. Основные виды крепления горных выработок и методика расчета технических параметров / А. В. Ремезов, В. Г. Харитонов, Д. Н. Макшанкин,

A. Ф. Брынько, В. В. Ермак. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. - 306 с.

12. Патент №21929-02 РФ. Шахтный профиль для изготовления металлической крепи горных выработок / В. В. Егошин, Д. Н. Макшанкин. Опубл.27.10.2002 г.

13.Макшанкин, Д. Н. Математическое моделирование стендовых испытаний арочных крепей в жестком режиме / Д. Н. Макшанкин,

B. А. Гоголин, А. В. Ремезов// Экономика Кузбасса: Научно-инновационный и социально-экономический журнал. — 2009. — №6(47). — С. 28—30.

14.Макшанкин, Д. Н. Математическое моделирование стендовых испытаний арочных крепей податливой конструкции / Д. Н. Макшанкин, В. А. Гоголин, А. В. Ремезов// Топливно-энергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научно-производственный и социально-экономический журнал. - 2010. —№1(48). - С. 29-31.

15.Макшанкин, Д. Н. Взаимодействие трехзвенных арочных крепей из профиля ШП с массивом горных пород в подготовительных выработках / Д. Н. Макшанкин, В. А. Гоголин, А. В. Ремезов, И. А. Ермакова// Топливно-энергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научно-производственный и социально-экономический журнал. — 2010. - №2(49)- С. 18-22.

Подписано в печать «17» сентября 2012г.

Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатана на ризографе.

Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 715 ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им.Т.Ф.Горбачева».

650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет

им.Т.Ф.Горбачева».

650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Макшанкин, Денис Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ РОССИЙСКОГО И ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА 9 КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПЬЮ

1.1. Металлическая крепь горных выработок

1.2. Специальные шахтные профили для изготовления 28 металлических крепей горных выработок, применяемые в Российской Федерации

1.3. Специальные шахтные профили для изготовления 38 металлических крепей горных выработок, применяемые за рубежом

1.4. Выводы по 1 главе

2. РАЗРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПИ ГОРНЫХ 47 ВЫРАБОТОК ИЗ НОВОГО ШАХТНОГО ПРОФИЛЯ ШП

2.1. Анализ аэродинамического сопротивления горных выработок, 47 закрепленных рамными металлическими крепями

2.2. Разработка поперечного сечения нового специального 58 шахтного профиля типа ШП

2.3. Металлическая крепь горных выработок из новых 81 специальных шахтных профилей типа ШП. Комбинированная металлическая крепь

2.4. Выводы по 2 главе

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ 109 КРЕПИ ИЗ ПРОФИЛЕЙ ШП С МАССИВОМ ГОРНЫХ

ПОРОД

3.1. Математическое моделирование стендовых испытаний 109 арочных крепей

3.2. Моделирование поведения трехзвенных арочных крепей с 121 новым профилем ШП в подготовительных выработках

3.3. Влияние напряженного состояния горных пород на 131 напряженно-деформированное состояние крепи из профиля

3.4. Выводы по 3 главе 137 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ОТ

РАЦИОНАЛЬНОГО ВЫБОРА ВИДА И ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПИ ПРИ АЛЬТЕРНАТИВНОМ КРЕПЛЕНИИ СПЕЦИАЛЬНЫМИ ПРОФИЛЯМИ ТИПА СВП

4.1 Экономический эффект от снижения энергозатрат

4.2. Экономический эффект от снижения металлоемкости крепи 146 ШП по сравнению с СВП

4.3. Определение экономического эффекта от снижения 147 трудоемкости работ по креплению горных выработок при переходе с профилей типа СВП на тип ШП

4.4. Экономический эффект, возникающий при креплении горных 152 выработок при переходе с профилей СВП на ШП, в аспекте снижения времени проходческого цикла

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование крепления горных выработок металлической крепью из шахтного профиля"

Актуальность работы. Повышение эффективности работы угольной промышленности невозможно без увеличения темпов проведения подготовительных выработок и обеспечения надежного их поддержания. Опыт разработки угольных месторождений показывает, что наблюдается ухудшение горно-геологических условий и увеличение протяженности поддерживаемых горных выработок. При этом обеспечение устойчивости горных выработок затруднено несовершенством конструкции крепей и технологии крепления, а также отсутствием эффективных средств механизации возведения крепей.

В угольной и горнорудной промышленности России в настоящее время достаточно широко применяются различные виды арочной металлической крепи горных выработок, выполняемые из прокатных профилей. Анализ объемов крепления по различным видам крепей горных выработок для ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Кузпецкуголь», ОАО «ОУК «Южкузбассуголь», ОАО «СУЭК» в г. Ленинске Кузнецком показывает, что доля металлических рамных крепей в общем объеме крепления горных выработок остается значительной и достигает 46-^54%. Только в 2011 году по ОАО «Южный Кузбасс» металлической крепыо было закреплено до 25% выработок.

Одним из направлений совершенствования горно-подготовительных работ является конструирование и внедрение новых профилей, позволяющих повысить несущую способность крепи и улучшить технико-экономические показатели при проведении, поддержании и проветривании горных выработок, а также снизить трудоемкость труда горнорабочих.

В связи с этим тема работы, направленная па обоснование крепления горных выработок металлической рамной крепыо с усовершенствованным шахтным профилем, является актуальной.

Диссертационная работа выполнена автором в соответствии с планом НИР КузГТУ за 2001-2010 г.г. по темам:

Изучение процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами и устойчивости горных выработок, разработка и научное обоснование способов строительства подземных сооружений, их восстановление».

Объектом исследования является технология крепления горных выработок.

Предметом исследования является металлическая крепь из специальных шахтных профилей.

Целыо работы является обоснование крепления горных выработок металлической крепыо для повышения их устойчивости и улучшения проветривания при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.

Идея работы заключается в использовании закономерностей процесса взаимодействия нового специального шахтного профиля типа ШП с массивом горных пород, повышающего несущую способность крепи и снижающего коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной выработки.

Задачи исследования.

1. Провести анализ устойчивости крепей и поддерживаемой выработки на основе отечественного и зарубежного опыта применения металлических крепей горных выработок и выявить пути повышения эффективности их применения.

2. Повысить устойчивость и снизить аэродинамическое сопротивление закрепляемой горной выработки путем выбора рациональных геометрических параметров нового профиля металлической крепи;

3. Провести обоснование несущей способности металлической крепи из новых шахтных профилей типа ШП при взаимодействии с массивом горных пород в выработке, оценить суммарный экономический эффект от ее применения.

Методы исследований включают: аналитический обзор научных работ отечественных и зарубежных исследователей по разработке и использованию специальных металлических профилей для изготовления металлических крепей горных выработок; методы сопротивления материалов для расчета прочностных характеристик специальных профилей; математическое моделирование методом конечных элементов взаимодействия крепей с массивом горных пород в выработке; технико-экономический анализ по результатам проведенных исследований.

Научные положения:

1. Повышение устойчивости крепи и выработки достигается при увеличении соотношения между шириной и высотой профиля до значений, равных 2,9+3,6; при этом моменты сопротивления профиля ШП относительно вертикальной оси увеличиваются в 1,4+1,7 раза, а площадь поддержания горной выработки па97%+150%;

2. Увеличение площади поперечного сечения горной выработки в свету на 8% и уменьшение числа арок по длине выработки на 18+27%, позволяет снизить коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной крепыо с профилем ШП, на 7+11%;

3. Крепь с профилем ШП по сравнению с профилем СВП имеет повышенную несущую способность на 6+17%, предельная глубина проведения подготовительных выработок при креплении профилем ШП-21 составляет 1220+1580 м.

Научная новизна состоит: в оценке факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей;

- в обосновании направления изменения геометрических параметров профиля металлической крепи для повышения ее несущей способности и снижения коэффициента аэродинамического сопротивления выработок;

- в обосновании взаимодействия металлических крепей с массивом горных пород в горных выработках, обеспечивших более высокую несущую способность крепей с профилем ШП по сравнению с применяемым профилем СВП;

- в установлении зависимостей, позволяющих рассчитать предельную глубину крепления выработок профилем ШП.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов н рекомендаций подтверждается: корректным применением современных методов научного анализа и обобщения данных, метода конечных элементов, механики деформируемого твердого тела, сходимостью результатов натурных стендовых испытаний крепей с результатами математического моделирования этих испытаний (не более 10%), положительными результатами внедрения.

Личный вклад автора состоит:

- в определении количественной зависимости между высотой специальных шахтных профилей и площадью поперечного сечения горной выработки в проходке при выемке дополнительного объема горной массы и размещении металлической крепи в выработке;

- в анализе влияния высоты специального шахтного профиля на аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлической крепыо из специальных шахтных профилей;

- в проведении исследований по определению влияния параметров поперечного сечения профиля на его прочностные характеристики;

- в разработке нового специального шахтного профиля типа ШП и металлических крепей из данных профилей;

- в проведении математического моделирования взаимодействия крепей с массивом горных пород;

Научное значение работы заключается в установлении факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей из специальных шахтных профилей типа СВП, в решении задачи о взаимодействии крепи с массивом горных пород; в определении рациональных геометрических параметров поперечного сечения профиля, что позволяет получить новый экономичный специальный шахтный профиль типа ШП с повышенной несущей способностью и меньшим значением коэффициента аэродинамического сопротивления крепи.

Практическое значение работы заключается в том, что применение установленных зависимостей позволяет рассчитать предельную глубину проведения горных выработок, с учетом коэффициента бокового распора, при которой металлическая крепь из профилей ШП сохраняет свою несущую способность и обеспечивает устойчивость горной выработки.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: па семинарах кафедры «Разработка месторождений полезных ископаемых» КузГТУ в 2005-^2010 гг.; на научно-практической конференции студентов и аспирантов КузГТУ в 1999, 2000г.; на I Региональной научно-практической конференции «Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса» КузГТУ в 2007 г.; на XI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Сибресурс 2006», а также на технических совещаниях ЗАО «КузНИУИ», ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «СУЭК», ОАО «Кузбассуголь», ОАО «УК «Южкузбассуголь», а также получили положительные рекомендации о возможности использования разработанного профиля ШП для крепления горных выработок в ОАО «Кузбассгипрошахт», ОАО «СУЭК-КУЗБАСС», ОАО «Кузбассуголь», ОАО УК «Южкузбассуголь». На разработанные паспорта крепления горных выработок металлической рамной крепыо из шахтного профиля ШП получено положительное заключение ЗАО «КузНИУИ».

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ (одна из них монография) и патент на изобретение, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 165 страниц печатного текста, 72 рисунка, 44 таблицы, список использованной литературы из 74 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Макшанкин, Денис Николаевич

4.5. Выводы по 4 главе

Экономический эффект от рационального выбора вида и параметров крепи при альтернативном креплении профилями типа СВП и типа ШП включает:

1. Экономический эффект от снижения аэродинамического сопротивления крепи, выраженного через затраты электроэнергии на проветривание горных выработок П = Тм ■ Д1ЧМ + ДЫ • I • Т э/э = 29293,44 + 13404 = 42697,44 руб./год с 1 вентилятора, ввиду того что минимум два вентилятора при внедрении мероприятия, имеем - 85394,88 руб./год.

2. Экономический эффект от снижения выемки горной массы при замене арочной крепи изготовленной из профиля СВП на профиль ШП за счет уменьшения сечения в чернее (8чср11с), (за счет меньшей высоты профиля ШП по сравнению с профилем СВП) при одинаковом сечении в свету (Бв свяу)- ЭДУ = 75 кВт ■ 1,095 мин/п.м. ■ 0,88 руб./кВт-ч = 75 кВт- 0,0183 час/п.м. ■ 0,88 руб./кВт-ч = 1,2 р/п.м. Если рассматривать на 1000м - 1200 руб./ЮООп.м.

3. Экономический эффект от снижения металлоемкости профиля ШП в сравнении с профилем СВП при сохранении прочностных свойств. Эдм = 0,63 • 2/3 ■ 14,81(1000/1-2) • 324,3 = 1060935,08 р/1000п.м.

4. Экономический эффект от снижения трудоемкости при замене арочной крепи, выполненной из профиля СВП на крепь, выполненную из профиля ШП. Эт = (ЗП-ЗПр)-1000 = (372,38 - 316,27)-1000= 56110 руб./1000м проходки.

5. Экономический эффект от снижения времени проходческого цикла, то есть увеличения темпов проходки:

Эк = (300 ■ 341,6) - (1 ■+ 0,074)(300 • 341,6) = 102480 -110063,52 = -7583,52руб./мес. Если рассматривать на 1000м - 7583,52руб./мес. х 3,33 =

25253,12руб./1000п.м. проходки.

ЭШТ11 = 85394,88 + 1200 + 998519,37 + 56110 + 25253,12р.~ 1166477,Зруб./ЮООп.м. проходки

6. Интегрированный экономический эффект при замене профиля СВП27 на профиль ШП26 составит около 1,2 млн.руб. на ЮООп.м. проходки. Реально же большинство шахт имеет десятки и более километров выработок, которые можно крепить более экономичным типом профиля, то есть можно получить эффекты, большие на порядки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой приведены научно-обоснованные технические решения по креплению горных выработок металлической крепыо с разработанным профилем ШП, повышающим устойчивость и улучшающим проветривание выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ, имеющие существенное значение для угольной отрасли страны.

Основные научные выводы и рекомендации

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта крепления горных выработок металлической крепыо показал, что направление совершенствования крепей заключается в уменьшении высоты и увеличении ширины профиля крепи. Это позволяет увеличить несущую способность крепи и снизить коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной горной выработки.

2. Разработана методика по совершенствованию поперечных сечений специальных шахтных профилей. На ее основе создан специальный шахтный профиль типа ШП с рациональными размерами поперечного сечения (снижение высоты и увеличения ширины профиля) и улучшенными прочностными характеристиками, позволяющими повысить устойчивость и улучшить проветривание закрепляемых горных выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.

3. В результате аналитических исследований моментов сопротивления профиля арочной крепи определена расчетная несущая способность металлических крепей из специальных шахтных профилей типа ШП.

4. Применение крепей с профилем ШП позволяет снизить площадь поперечного сечения выработки в проходке на 8%, объем выемки горной о массы на 1 п. м проведения выработки на 2,9-И2,5 м , коэффициент аэродинамического сопротивления на 7-И1%, металлоемкость крепи до 7%.

Разработанный профиль также позволяет улучшить контактирование и взаимодействие крепи с окружающим выработку горным массивом.

5. Разработана комбинированная металлическая крепь из специального шахтного профиля типа ШП в сочетании со сталеполимерной анкерной крепью, которая имеет повышенную несущую способность на 12-^-75% по сравнению с типичной металлической крепью из специальных профилей типа СВП, без увеличения металлоемкости крепи.

6. Установлено, что использование метода конечных элементов позволяет с достаточной точностью (до 10%) проверять работоспособность металлических крепей без проведения стендовых испытаний.

7. Исследования взаимодействия крепи с массивом горных пород в подготовительных выработках показали, что предельная глубина их проведения и крепления с профилем ШП-21 составляет 1220-И 580 м.

8. Экономический эффект от рационального выбора вида и параметров металлической крепи при альтернативном креплении специальными шахтными профилями типа СВП и ШП, на 1000 п. м проведения и крепления горной выработки составляет не менее 1,2 млн. руб.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Макшанкин, Денис Николаевич, Кемерово

1. Александров A.B., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 1995г. - с. 108-128.

2. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепи. М.: Недра, 1984г.

3. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкция и расчет крепей и обделок. -М.: Недра, 1979 г.

4. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.:Недра. -1994г.-382с.

5. Белый В.В. Справочник инженера шахтостроителя. М.:Недра, 1980г.

6. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. -М.:Недра, 1982 г.

7. Гелескул М.Н., Хорин В.Н. Справочник по креплению горных выработок. М.:Недра, 1976г.

8. Гелескул М.Н. Какой профиль проката целесообразно применять в металлобетонной крепи капитальных выработок глубоких шахт // Шахтное строительство. 1971 г. - № 11. - с. 23-24.

9. Грушевский И.С. Холодногнутые гофрированные профили проката. Киев, 1967г.

10. Гетце В., Красс Ю. Крепь горизонтальных выработок // Глюкауф. -1981г.-№ 18.-с. 29-34.

11. Егоров П.В., Штумпф Г.Г., Петров А.И. Технология и механизация проведения подготовительных выработок: Справочник М.: Недра, 1994г.-368с.

12. Егоров П.В., Бобер Е.А., Андрианов А.П. Шахты Кузбасса.: Справочник. М.:Недра, 1992г. - 300с.

13. A.C. № 1288304 Е 21 Д 11/14, 11/15. Профиль для шахтной крепи /В.В. Егошин. Опубл. 07.02.87г. Бюл. №5.

14. Заславский Ю.З., Мостков В.М. Крепление подземных сооружений. М.: Недра, 1979г. -325с.

15. Зигель Ф.С., Компанец В.Ф., Сытник A.A. Новые специальные профили для крепей горных выработок // Шахтное строительство. 1988г.-№10.-с.15-17.

16. Каретников в.н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. М.: Недра, 1989г.-571.

17. Комиссаров М.А., Зигель Ф.С. Изыскание оптимальных размеров гнутых профилей для крепи горных выработок // Крепление и охрана горных выработок. Донецк.: Донуги, 1968г.-с.81-89.

18. Комиссаров М.А., Макаревский И.Т., Гладков Г.А. Экономичные спецпрофили для крепи горных выработок // Прокатное производство, металловедение и термическая обработка металлов. Донецк.: Днниичермет, 1971г.-с. 167-175.

19. Каретников В.Н., Клейменов В.Б. Автоматизированный расчет и конструирование металлических крепей подготовительных выработок. М.: Недра, 1984г.-312 с.

20. Каталог-справочник. Крепи и оборудования для крепления горных выработок. М.:ЦНИЭИУголь, 1976г

21. Макшанкин Д.Н., Егошин В.В. Шахтные профили для крепления подготовительных горных выработок // Научные работы студентов -магистров.:Сб. науч. тр. / КузГТУ. Кемерово, 1999г. - с. 57-61.

22. Маркович Б.А. Шахтная металлическая крепь и способы ее массового производства. М.: Недра, 1974г. - с. 16-25.

23. Насонов И. Д., Федюкин В. А. Технология строительства подземных сооружений. М.,Недра, 1983г.

24. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев.: Наук, думка, 1988г. - 736с.

25. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1986 г.

26. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. -М.: Недра, 1976г.

27. Шпрут Э. Металлическая крепь горных выработок. М.: Углетехиздат, 1958г.

28. Штумпф Г.Г, Егоров П.В., Лебедев A.B. Крепление и поддержание горных выработок: Справочник рабочего. М.: Недра, 1993г. -427с.

29. Широков А.П., Писляков Б.Г. Расчет и выбор крепи сопряжений горных выработок. М., Недра, 1987.

30. Отраслевая инструкция по применению рамных и анкерных крепей в подготовительных выработках угольных и сланцевых шахт. М., ИГД им.А.А.Скочинского, 1985г.

31. Мельников Н.И. Анкерная крепь. М., Недра, 1980г.

32. Кашибадзе В.В. Аэродинамическое сопротивление горных выработок. М., Недра, 1983г.

33. Гелескул М.Н., Ильштейн A.M. Новые виды крепления. Углетехиздат, 1984г.

34. Кобищанов М.А., Гелескул М.Н. Металлическое крепление горных выработок. Углетехиздат, 1952г.

35. Черняк И.Л., Ярунин С.А., Бурчаков Ю.И. Технология и механизация подземной добычи угля. Учебник для вузов. М., Недра, 1981. 384с.

36. Заславский Ю.З., Дружко Е.Б. Новые виды крепи горных выработок. М.: Недра, 1989. 256 с.

37. Инструкция по выбору рамных податливых крепей горных выработок. Изд. 2-е, перераб. и доп. СПб, ВНИМИ, 1991г.

38. Бажин Н.П., Мельников Н.И., Нейман Л.К. и др. Рациональные способы крепления и поддержания подготовительных выработок.-Обзор/ ЦНИЭИУголь, М, 1984. 27 с.

39. Калимов Ю.И., Левчук В.Н. Совершенствование способов крепления и охраны подготовительных выработок глубоких шахт. -Обзор/ ЦНИЭИУголь, М., 1981. 25 с.

40. Булычев Н.С., Фотиева H.H., Стрельиицов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М., Недра, 1986г.

41. Гелескул М.Н., Усан-Подгорнов Б.М. Новые шахтные крепи и механизация их возведения. М., Недра, 1982г.

42. Ушаков К.З., Бурчаков A.C., Медведев И.И. Рудничная аэрология. М., Недра, 1978г.

43. Аэродинамическое сопротивление шахтных стволов и способы его снижения/А.А.Скочинский, А.И.Ксенофонтовой, А.А.Харев и др. М., Углетехиздат, 1953г.

44. Кашибадзе В.В. Аэродинамическое сопротивление горных выработок при новых видах крепления. М., Углетехиздат, 1950.-98с.

45. Бажин Н.П., Мельников Н.И., Нейман Л.К. и др. Рациональные способы крепления и поддержания подготовительных выработок. -Обзор/ ЦНИЭИУголь, М., 1984. 27 с.

46. Косков И.Г. Новые материалы и конструкции крепи горных выработок. М., Недра, 1987г.

47. Новые крепи горных выработок и подземных сооружений в условиях агрессивных сред/Чугай М.И, Инфатьев В.Н., Иовенко В.И., Чуприна Е.С. Горный журнал, 1992, № 9, 24-26с.

48. Проектирование предприятий с подземным способом добычи полезных ископаемых. Справочник/Бурчаков A.C., Малкин А.С, Еремеев В.М. и др. М., Недра, 1991г.

49. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. М., Недра, 1986г.

50. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. М., Недра, 1976г.

51. Справочник инженера-шахтостроителя. В 2-х томах. Т.1/Под общей ред.В.В.Белого. М.,Недра, 1983г.

52. Макшанкин Д.Н., Егошин В.В. Совершенствование сечений специальных профилей для металлической крепи горных выработок // Научные работы студентов-магистрантов: Сб.научн.тр./-Кемерово, КузГТУ. 2000.-С.51-60.

53. Ушаков К.З., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий. М., Недра, 1987.-421с.

54. Ксенофонтова А.И., Гордеева Л.И. Вентиляционное сопротивление выработок, закрепленных арками из металлических балок специального профиля//Уголь.-1951 .-№6.-С.30-31.

55. В.В.Егошин, Д.Н.Макшанкин, А.В.Ремезов. Аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлическими арками из специальных шахтных профилей//Вестпик КузГТУ: Научно-технический журнад/Кемерово, КузГТУ.-2003.-№4.-С.29-31

56. Бурштейн М.А., Шевченко В.Н. Металлическая крепь горных выработок за рубежом. М., Углетехиздат. 1958.

57. Гелескул М.Н. Обобщение и анализ отечественных и зарубежных профилей проката для металлической крепи горных выработок. ИГД им.А.А.Скочинского. Краткий научный отчет, М., 1964.

58. Ушаков К.З., Бурчаков A.C., Пучков J1.A., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий: Учебник для вузов.-3-е изд.,перераб.и доп.-М.:Недра,1987.

59. Справочник по рудничной вентиляции/Под ред. К.З.Ушакова. М. :Недра, 1977.-328с.

60. Справочник энергетика промышленных предприятий/В. А. Гольстрем, А.С.Иванченко. Киев: Техника. 1977.-464с.

61. Основные виды крепления горных выработок и методика расчета технических параметров/А.В.Ремезов, В.Г.Харитонов, Д.Н.Макшанкин, А.Ф.Брынько, В.В.Ермак//Кемерово: Кузюасвузиздат,2007.-306с.

62. Укрупненные комплексные нормам выработки для шахт Кузнецкого бассейна/ЛДентральная нормативно-исследовательская станция по труду Минуглепрома СССР.М.: «Ворошиловоградская правда». 1989.-757с.

63. Ремезов А. В. Основные виды крепления горных выработок и методика расчета технических параметров/ А. В. Ремезов, В. Г. Харитонов, Д. Н. Макшанкин, А. Ф. Брынько, В. В.Ермак. Кемерово, «Кузбассучиздат», 2007.-306 с.

64. Государственный стандарт Российской Федерации. Крепи металлические податливые рамные. Методы испытаний. (ГОСТ Р 50910 ). Госстандарт России. М.: 1996. 12 с.

65. Фадеев А. Б. Метод конечных элементов в геомеханике. -М.:Недра, 1987.-221 с.

66. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела- М.: Наука, 1979.-744 с.

67. Государственный стандарт СОЮЗА ССР. Профили горячекатаные СВП для крепи горных выработок. Сортамент. (ГОСТ 18672-83). М.:1983. -3 с.

68. Государственный стандарт Российской Федерации. ГОСТ Р 517482001 Крепи металлические податливые рамные. Крепь арочная. Общие технические условия. Госстандарт России. М.: 2001. 15 с.

69. Макшанкин Д. Н. Математическое моделирование стендовых испытаний арочных крепей в жестком режиме/ Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов, В. А. Гоголин. Горный информационно-аналитический бюллетень №11, 2009 г. Издательство МГГУ, 7 стр.

70. Петухов И.М. Механика горных ударов и выбросов/ И. М. Петухов, А. М. Линьков. -М.: Недра, 1983.

71. Паначев И.А., Нецветаев А.Г., Цепилов И.И., Удовицкий В.И. Особенности открытой добычи и переработки углей сложноструктурных месторождений Кузбасса. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1997. - 220 с.

72. Ставрогин А.Н. Прочность горных пород и устойчивость выработок на больших глубинах/ А. Н. Ставрогин, А. Г. Протосеня. М.: Недра, 1985. -271 с.