Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки"

^^^^ < Направахрукописи

ПРОКОПОВА Марина Валентиновна

Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новочеркасск - 2004

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ягодкин Феликс Игнатьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Привалов Александр Алексеевич

кандидат технических наук Нечаенко Виктор Иванович

Ведущая организация ОАО «Ростовгипрошахт»

Защита состоится 28.05.2004 г. в 10 м часов на заседании диссертационного совета Д.212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346428, Ростовская область, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ (НПИ), (ауд. 41 горного корпуса)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)

Автореферат разослан

2? олр&гл,

Ученый секретарь диссертационного совета

Разоренов Ю.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Комплекс вертикальных стволов является одним из основных звеньев в технической системе горнодобывающего предприятия в период его строительства и эксплуатации. В период строительства горнодобывающего предприятия стволы - располагаются на критическом пути, через них ведутся работы по вскрытию и подготовке месторождения, монтажу проходческого и добычного оборудования, поэтому они оказывают существенное влияние на срок и стоимость всего строительства.

В период эксплуатации горнодобывающего предприятия стволы являются основными капитальными выработками, служащими для выдачи полезного ископаемого и горной массы, спуска-подъема людей, материалов и оборудования, вентиляции, прокладки кабелей и трубопроводов и др. От работоспособности вертикальных стволов зависит надежность и эффектиз-ность работы всего горного предприятия.

На территории бывшего СССР и в России выполнены большие объемы работ по строительству и эксплуатации стволов горнодобывающих предприятий. Строительство и поддержание вертикальных стволов производится на базе нормативных документов, разработанных ведущими организациями и специалистами отрасли. Однако в практике эксплуатации вертикальных стволов часто наблюдаются нарушения крепи и отказы армировки (53% глубоких стволов и 42% стволов средней глубины). Анализ показал, что из общего числа отказов 38-50% нарушений вызваны технологическими отклонениями от проекта, допущенными в процессе проходки стволов буровзрывным способом с креплением монолитным бетоном по совмещенной схеме.

Учитывая вышеизложенное, поставлена следующая цель исследования.

Цель работы - повышение работоспособности крепи и армировки вертикальных стволов путем учета на стадии проектирования и строительства ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи от нормативных величин и формы сечения ствола в свету, связанных с особенностями буровзрывной технологии проходки стволов с креплением монолитным бетоном или железобетоном при помощи передвижных металлических опалубок.

Идея работы. Определение параметров монолитной бетонной (железобетонной) крепи, области регулирования узлов крепления элементов жесткой армировки, безопасных расстояний между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью ствола должно производиться с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи ствола от расчетного положения и изменения формы сечения ствола в свету и толщины крепи, связанных с особенностями технологии ведения работ, диаметром в свету и глубиной ствола.

з

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ современного состояния и фактических данных, материалов исследований других авторов, литературных, проектных и нормативных источников; методы математической статистики с элементами теории вероятности; методы теории упругости, строительной механики и теории предельного равновесия; конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива; разработку программного обеспечения для расчета основных параметров крепи стволов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе проходки стволов буровзрывным способом с монолитной бетонной (железобетонной) крепью, вследствие деформации подвесной опалубки, сечение ствола в свету принимает овальную, близкую к эллипсу, форму с постоянной ориентацией большой и малой осей. Величина соотношения малой и большой осей ствола зависят от глубины Я, км, диаметра ствола в свету D,м, и описываются уравнением

Ап,п/Аг*х=1 - 0,018#- 0,0015Д

а средние радиальные отклонения контура крепи по периметру сечения ствола в свету от проектного положения в процессе проходки прямо пропорциональны диаметру и нелинейно зависят от глубины. Нелинейность связи усиливается при глубине ствола, превышающей 600 м.

2. Фактическое сечение крепи ствола в горизонтальной плоскости представляет собой кольцо переменной толщины с внутренним контуром в виде овала. Толщина крепи в кольце характеризуется соотношением малой и большой осей свала, а также величиной и азимутом отклонения центрального отвеса в заходке от вертикальной оси ствола

3. Максимальные эквивалентные напряжения в бетонной крепи в результате фактических отклонений кольца крепи от проектных положения и формы увеличиваются с глубиной ствола и достигают в местах утонения крепи в крепких породах 110%, в породах средней крепости 120% и в слабых неустойчивых породах 200% от соответствующих напряжений в крепи с проектными параметрами.

Научная новизна исследований заключается:

- в установлении зависимости между фактическими радиальными отклонениями крепи вертикальных стволов, их глубиной и диаметром;

- в определении тенденции изменения формы и размеров поперечного сечения вертикальных стволов круглого сечения разных диаметров с увеличением глубины и установлении зависимости эллиптичности (отношения малой и большой полуосей) сечения ствола от его глубины и диаметра;

- в установлении зависимости изменения максимальных эквивалентных напряжений и деформаций крепи ствола для различных типов

вмещающих пород, глубин, диаметров и толщин крепи вследствие технологических погрешностей при креплении.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом большого массива фактических маркшейдерских данных по 74 стволам, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных методов математической статистики; использованием теорем и уравнении аналитической геометрии и математического анализа; конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «ЛИРА-Windows» 8.01.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости изменения формы сечения ствола в свету, толщины крепи по периметру сечения, радиальных отклонений стенок крепи от проектного положения от диаметра, глубины ствола и типа вмещающих пород при проходке с креплением монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки и их влияния на напряженно-деформированное состояние, несущую способность крепи и область регулирования узлов крепления жесткой армировки.

Практическое значение работы заключается в разработке конкретных рекомендаций для учета изменения формы сечения ствола в свету, фактических радиальных отклонений стенок крепи и ее толщины в процессе проходки при проектировании и строительстве.

Реализация результатов исследований.* Результаты работы используются институтом «Ростовгипрошахт», НТЦ «Наука и практика», ОАО «Ростовшахтострой» при проектировании, строительстве и обследовании состояния крепи вертикальных стволов с применением разработанного Win-dоws-приложения по расчету параметров бетонной крепи в среде Microsoft VisualBasic 6.0.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (г. Новочеркасск, 2001 г.), Международный научных симпозиумах «Неделя горняка-2003» и «Неделя горняка-2004» (г. Москва, 2003-04 гг.), Международной научно-практической конференции «Уголь-Mining Technologies 2003» (г. Алчевск, Украина, 2003 г.); 50-53-й региональных научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) (г. Шахты, 2001-04 гг.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и шахт ЮРГТУ(НПИ) (г. Шахты, 200304 гг.), в технических советах «Ростовшахтострой» (г. Шахты, 2003-04 гг.), НТЦ «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону, 2003-04 гг.), «Луганскгипро-шахт» (г. Луганск, Украина, 2003 г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 139 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 42 таблицы, список использованной литературы из 133 наименований и 14 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю проф. Ф.И. Ягодкину за* методическую помощь и ценные советы в процессе работы над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается состояние вертикальных стволов Украинского и Российского Донбасса, закрепленных монолитной бетонной крепью, и произведен анализ причин нарушения крепи и армировки.

Немаловажную роль в возникновении различного вида повреждений крепи и армировки стволов играют технологические нарушения, допускаемые как в период проходки и крепления ствола, так и во время эксплуатации подъемного комплекса. Кроме того, на несоответствие параметров монолитной бетонной крепи стволов проектным характеристикам, и как следствие на ухудшение качества крепи, оказывает влияние несовершенство самой технологии буровзрывных и бетонных работ в стволе (отклонение центра и стенок ствола от проектного положения, спуск бетона по трубам в глубоких стволах, неточная центровка и установка опалубки, износ опалубки, т.е. изменение ее проектной формы и размеров и др.).

Произведенный анализ причин повреждения крепи и армировки вследствие технологических нарушений позволил выделить следующие их основные группы:

1. Причины, вызванные несовершенством применяемой технологической схемы.

2. Причины, обусловленные технологией спуска бетонной смеси к месту укладки.

3. Причины, вызванные несоблюдением формы сечения ствола в свету и толщины крепи по периметру вследствие деформации опалубки, неточности ее центровки, отклонения положения центрального отвеса, несоблюдения паспорта буровзрывных работ и других факторов.

Как показывает опыт проходки вертикальных стволов в Донбассе, с увеличением глубины повышаются значения радиальных отклонений контура крепи от проектного положения. Это связано с неточностью центровки опалубки вследствие колебаний центрального отвеса, амплитуда которых увеличивается с глубиной. Кроме того, с увеличением количества циклов бетонирования, вследствие поочередных отрывов опалубки от бетона и ее монтажа на следующей заходке, опалубка деформируется и изменяет свою форму, вызывая тем самым изменения формы внутреннего контура крепи.

Вышеописанные технологические нарушения, допускаемые при проходке стволов, значительно влияют на несущую способность крепи и, как следствие, на состояние вертикальных стволов в период эксплуатации. В случае недопустимых деформаций или нарушений сплошности крепи требуются значительные затраты времени и средств на ремонт и поддержание стволов, что в конечном итоге влияет на рентабельность всего горнодобывающего предприятия.

Резюмируя вышеизложенное, следует сделать вывод о высокой научной и практической значимости проблем совершенствования технологии крепления и безремонтного поддержания стволов в процессе эксплуатации-

Решению этих задач посвящен ряд основополагающих работ ведущих ученых, научно-исследовательских, проектно-конструкторских, производственных организаций и высших учебных заведений России и стран СНГ, которые были положены в основу действующей нормативной документации, обеспечившей успешное развитие отечественного подземного и шахтного строительства.

К ним следует отнести, прежде всего, результаты исследований в области геомеханики горных пород, крепления и поддержания вертикальных стволов, полученные во ВНИМИ (Г.А. Крупеников, А.М. Козел, К. А. Арда-шев, В.Н. Рева и др.), ТулГУ (Н.С. Булычев, Н.Н. Фотиева, В.Н. Каретников, И.И. Савин и др.), МГГУ (Н.М. Покровский, БА. Картозия, И.В. Баклашов, М.Н. Шуплики др.), ВНИИОМШС (ИГ. Косков, В.П. Друцко, В.А. Прагер и др.), ИГТМ НАН Украины (В.Т. Глушко, А.Ф. Булат, В.В. Виноградов, Б.М. Усаченко), НГАУ (А.П. Максимов, Л.Я. Парчевский, А.Н. Шашенко, В.В. Левит), ЮРГТУ (НПИ) (В.А. Матвеев, Н.К. Шафранов, ВА. Ткачев).

Вопросам технологии проходки, крепления и армирования вертикальных стволов посвящены труды И.В. Баронского, А.А. Пшеничного, Ф.И. Ягодкина, И.Б. Доржинкевича, Н.Г. Гаркуши, И.А. Мартьшенко, В.И. Нечаенко, Е.В. Петренко, АА. Привалова, И.С. Стоева, П.С. Сыркина, В.Ф. Филатова, АА. Храмова и др. Вместе с тем значительный комплекс проблем, связанных с креплением, защитой и поддержанием вертикальных стволов остается недостаточно изученным, в том числе влияние на работоспособность крепи и армировки вертикальных стволов нарушений технологии крепления, несоблюдения проектных параметров, неудовлетворительное качество крепи и другие технологические причины, удельный вес которых достигает 38-50% от общего количества причин отказов крепи и армировки.

Во второй главе произведен анализ маркшейдерских замеров фактических отклонений контура крепи ствола от проектного положения в зависимости от диаметра и глубины ствола.

Для определения зависимости фактических радиальных отклонений стенок крепи ствола от глубины и диаметра, а также характера изменения формы сечения ствола анализировались данные контрольных профилировок

стенок крепи в 46 стволах Украинского и 28 стволах Российского Донбасса, закрепленных монолитной бетонной и железобетонной крепью с помощью передвижных опалубок.

В результате исследований установлено, что максимальные радиальные отклонения крепи вертикальных стволов ДЛ,мм, от проектного положения зависят от глубины и диаметра ствола и могут быть с высокой степенью точности и тесноты связи (корреляционное отношение Т] = 0,995) описаны уравнением поверхности 2-го порядка общего вида

ДЛ = 38.65Л2 - 0,8983^ + 8,287Я£> - 52,74Я + 11,05£) - 4,873, где Н- глубина ствола, км; Б - диаметр ствола, м.

Для определения величины ожидаемых максимальных и средних радиальных отклонений контура крепи от проектного положения в зависимости от глубины и диаметра ствола построена номограмма (см. рис. 1).

Рис. 1. Номограмма для определения максимальных ЛЛт„ и средних АЛСГ ожидаемых радиальных отклонений монолитной бетонной крепи ствола в зависимости от его диаметра В и глубины Н

Замеры радиусов металлических опалубок показывают, что в большинстве обследованных стволов (97%) уже на первой заходке опалубки имеют отклонения от проектной формы, приобретая форму слабовыражен-ного овала, близкую к эллипсу, с отношением малой и большой полуосей Апт/Опкк в пределах 0,981 - 1. Значение £>тт/Отах на первой заходке является случайной величиной (со средней арифметической 0,992 и дисперсией

2,79-10"5), плотность вероятности которой близка к нормальному распределению с некоторой асимметрией теоретической кривой распределения в сторону максимального значения исследуемого отношения (см. рис. 2).

Корреляционная связь между отношением Дтп/Дпах и диаметром ствола в свету Ос, на первой заходке практически отсутствует (коэффициент корреляции г = 0,29) (см. рис. 3).

В процессе проведения ствола усиливается деформация формы его сечения в свету, при этом соотношение малой и большой осей Дни/Дых сечения ствола нелинейно уменьшается с глубиной (см. рис. 4).

Рис 2. Гистограмма и теоретическая кривая распределения отношения малой и большой осей эллипса опалубки на первой заходке: п - частота варианта

Рис 3. Поле корреляции для определения

наличия связи между отношением осей опалубки на первой заходке и ее диаметром

Рис. 4. Зависимость отношения осей опалубки от глубины ствола

Вследствие указанных выше причин максимальные значения радиальных отклонений стенок крепи ствола от проектного положения при достижении глубины 500-600 м, в зависимости от диаметра ствола в свету, превышают допустимые нормами.

Произведенный множественный корреляционный анализ показал, что на величину соотношения малых и больших осей эллипса оказывают совместное влияние глубина и диаметр ствола в свету, а зависимость = /[Н,П) с корреляционным отношением Г) = 0,885 описывается уравнением:

Ашп/Дп«^ 1 -0,018Я-0,0015Д где Н- глубина ствола, км; Б - диаметр ствола в свету, м.

Ориентация малой и большой полуосей сечения ствола в свету практически постоянна.

Изменение формы опалубки с увеличением глубины ствола существенно влияет на геометрические параметры, а следовательно, и несущую способность крепи, которая приобретает форму кольца переменной толщины.

При расчете толщины крепи ствола, кроме учета эллиптичности формы поперечного сечения в свету, необходимо учитывать допустимое отклонение центрального отвеса от проектного положения на величину Дот,= ±30 мм. В этом случае в зависимости от направления смещения отвеса толщина крепи Др также будет изменяться. Для расчета ¿¡^ использована декартова система координат, на которую нанесен внешний контур ствола (условно в форме круга) с центром в точке 0(0,0) и внутренний контур (в форме эллипса с полуосями а и b), центр которого может смещаться относительно О(0, 0) на величину Д^, в произвольном направлении и имеет координаты 0\(йх, Ду) (рис. 5).

Толщина крепи в направлении радиуса ствола, расположенного под углом йгк оси х определится как расстояние между точкой Aix^y,), принадлежащей эллипсу, и точкой , принадлежащей окружности.

Исходя из параметрических уравнений окружности и эллипса, выражение для определения толщины крепи при смещении отвеса в произвольном направлении определится как

<*кр = пр - Ь) ■ cos а - Доте - cos pf + ((Лпр - e)-sm а - im • sin (if

При смещении отвеса в направлении одной из осей вытекают частные случаи:

- при смещении центрального отвеса вдоль длинной оси :

SKp = ^(Rnv-b)2-cos2a + ((R„f-a)-sma~A<ynf.

- при смещении центрального отвеса вдоль короткой оси :

¿*p=i}{<.Rnp-b) cosa-Á0Tt)! +(/?Пр ~a)2 -sin2 a

i i

Рис 5. Схема к определению толщины крепи ствола с учетом эллиптичности опалубки и возможного отклонения центрального отвеса

Таблица 1

Ожидаемые значения толщин крепи при наиболее неблагоприятном сочетании технологических факторов

Глубина ствола, м Возможная фактическая толщина крепи при проектной толщине, мм

250 300 350 400

А. мм ЦЬпил»-• % мм Чртач»- * % Я, мм ОДпмл»-• X им ЦЬ|М\»-- 4 % х. ММ с™ лип,- Л мч чЬпим- % А. мм Ир лип,- г мм Чрлич»-

Диаметр ствола в свет] 6 М

0 191 16,4 283 113,4 241 80,3 333 ни 291 83,1 383 109,5 341 85.2 433 1083

200 190 76,0 284 113,7 240 80,0 334 111,4 290 82,8 384 109,8 340 85,0 • 434 108,5

400 186 74,4 288 115,2 236 78,6 338 112,6 286 81,7 388 110,8 336 84,0 438 109.5

600 179 71,5 295 117,9 229 763 345 114,9 279 79,7 395 112,7 329 82,2 444 пи

800 169 67,4 304 121,8 219 72,9 354 118,1 269 76,7 404 115,5 319 79,6 454 113,5

1000 155 62,1 318 127,0 205 68,4 368 122,7 255 72,9 417 119,3 305 76,3 467 116,9

1200 139 55.5 334 133,5 169 63,0 384 127,9 239 68,3 434 123,9 289 72,2 483 120,9

Диаметр ствола в свет 7 м

0 192 76,6 283 113,2 242 80,5 333 1Щ9 292 83,3 383 109,4 341 85,3 433 108,2

200 189 75,6 285 114,1 239 79.6 335 111,7 289 82,6 385 110,0 339 84,7 435 108,8

400 183 73.3 290 116;2 233 77.7 340 113,5 283 80,9 390 111,5 333 83,3 440 11011

600 174 69.8 299 119,5 224 74,8 349 116^2 274 78,4 399 113,9 324 81,1 449 игг

800 163 65,0 310 124,1 213 70,9 360 120,1 263 75,0 410 117,2 313 78,1 460 115.0

1000 148 59,0 325 130;0 198 65,9 375 125,0 248 70,7 425 121,4 298 74,4 475 11817

1200 130 51,8 343 137,3 180 59,9 393 131,1 230 65,6 443 126,6 280 69,9 493 1233

Диаметр ствола в свет С8м-

0 194 77,6 280 112,0 244 81.3 330 110.0 294 84,0 380 108,6 344 86,0 430 107,5

200 190 75,9 285 113,8 240 79,9 334 111.5 290 82,8 384 109.8 340 85.0 434 108,6

400 182 72,9 291 116,5 232 77,5 341 113,7 282 80,7 391 111,7 332 83.1 441 11<и

600 172 688 301 120,5 222 74,0 351 117,0 272 77.7 401 114,6 322 80,5 451 112,8

800 158 53,3 314 125,7 208 69,5 364 121,4 258 73,8 414 1)8,4 308 77.1 464 ИМ

1000 142 56,7 331 1323 192 63,9 381 126,9 242 69,1 431 123.1 292 72,9 481 120,2

1200 121 48,8 351 140,3 172 57,3 401 133,6 222 63,4 451 128,8 272 68,0 501 125.2

С учетом указанных технологических погрешностей были рассчига-ны возможные толщины крепи ствола для случаев наиболее неблагоприятных отклонений вертикальной оси деформированной опалубки от положения центрального отвеса:

- вдоль длинной оси ствола;

- вдоль радиуса ствола в проходке с углом поворота от центральных осей на 45°.

Результаты расчета ожидаемых минимальных и максимальных толщин крепи для наиболее неблагоприятных направлений отклонения центрального отвеса приведены в табл. 1.

Расчеты показали, что величина снижения толщины крепи в опасном сечении зависит от степени эллиптичности опалубки, возрастающей с глубиной и диаметром, а также величины Дота и направления /? отклонения центрального отвеса. Минимальная толщина крепи наблюдается в случае смещения отвеса в направлении большой полуоси ствола, при этом относительное снижение толщины крепи зависит от глубины и диаметра и при максимальных глубинах составляет:

- в стволах диаметром 6м- 27,8-44,5%;

- в стволах диаметром 7м- 30,1-48,2%;

- в стволах диаметром 8м- 32-51,2%.

В третьей главе на математических моделях исследовано изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) крели ствола в результате изменения формы и положения ее внутреннего контура. Для решения поставленной задачи использован метод конечных элементов (МКЭ), реализованный в форме перемещений. Для численного моделирования по этому методу использован программный комплекс «ЛИРА-Windows» (версия 8.01).

Для исследования НДС монолитной бетонной крепи под воздействием нагрузок со стороны вмещающего породного массива, а также изменения НДС в результате отклонений крепи от проектных положения и формы для стволов различных диаметров, глубин, толщин крепи и вмещающих пород разработаны 96 конечно-элементных моделей крепи и вмещающих пород, которые делятся на 2 группы:

- I группа (включает 48 моделей) - модели, определяющие базовое НДС, которое возникает при отсутствии отклонений крепи от проектных положения и формы;

- II группа (включает 48 моделей) - модели, характеризующие критическое НДС, которое возникает при изменении формы опалубки с глубиной (в соответствии с исследованиями главы 2) и допустимом отклонении центрального отвеса (±30 мм) в направлении большой полуоси эллипса опалубки, так как при таком смещении наблюдается максимальное утонение кольца крепи и ожидаются максимальные напряжения в бетоне.

Пример разработанной конечно-элементной модели для расчета параметров базового НДС представлен на рис. 6 (модель для ствола диаметром в свету 6 м и толщиной крепи 250 мм, работающей под нагрузкой, рассчитанной для глубины 1200 м). Пример конечно-элементной модели, характеризующей критическое НДС, приведен на рис. 7 (модель для ствола диаметром в проходке 6,5 м, с переменной толщиной крепи, вследствие допустимого смещения и эллиптичности опалубки с соотношением полуосей эллипса 0,947, работающей под той же нагрузкой).

Для каждой из 96 моделей были определены параметры НДС крепи и массива и построены изополя эквивалентных напряжений и перемещений. Сопоставление результатов, полученных на соответствующих друг другу базовых и критических моделях, показало, что допускаемые при креплении технологические отклонения крепи от проектных положения и формы негативно сказываются на ее напряженно-деформированном состоянии, и, как следствие, на несущей способности. Степень увеличения напряжений в критических ситуациях по сравнению с аналогичными базовыми вариантами (проектные формы и положение крепи) значительно колеблется в зависимости от типа вмещающих пород, глубины, проектных диаметра ствола в свету и толщины крепи и составляет:

- в крепких породах 102 - 113% от соответствующих напряжений в крепи с проектными параметрами;

- в породах средней крепости 105 - 123% от проектных;

- в слабых, неустойчивых породах 120 - 206% от проектных.

Максимальные концентрации эквивалентных напряжений возникают в местах максимального утонения кольца крепи для всех исследованных типов вмещающих пород независимо от диаметра, глубины и толщины крепи ствола. В этих местах наиболее вероятно снижение несущей способности крепи и, как следствие, ее разрушение.

Рис. 6. Пример конечно-элементной модели для изучения базового НДС:

а - обший вид, б - фрагмент крепи

Рис. 7. Пример конечно-элементной модели для изучения критического НДС: а - общий вид, б, в - фрагменты максимального утолщения и утонения крепи

Существенное влияние на увеличение напряжений в крепи ствола во всех рассматриваемых случаях (при всех диаметрах ствола, толщинах крепи и типах вмещающих пород) оказывает глубина. С увеличением глубины усиливается эллиптичность опалубки (уменьшается отношение малой и большой полуосей ствола), что в свою очередь сказывается на увеличении различия между базовым и критическим НДС.

Увеличение толщины крепи благоприятно сказывается на ее НДС даже при наличии технологических погрешностей крепления. Так, разница между максимальными эквивалентными напряжениями в критическом и базовом НДС, с увеличением толщины крепи от 250 до 400 мм снижается:

- в крепких породах на 1,6-2,4%;

- в породах средней крепости на 2,2-7,5%;

- в слабых, неустойчивых породах на 9,8-48,5% в зависимости от глубины и диаметра ствола.

Диаметр стволов в свету, пройденных в крепких и средней крепости породах, практически не влияет (±1,9%) на изменение НДС по отношению к базовым значениям. Для стволов, пройденных в слабых, неустойчивых породах, характерно увеличение различия между базовым и критическим НДС на 4,1-16,5% с увеличением диаметра ствола.

Наиболее неблагоприятное сочетание факторов, вызывающее критическое НДС крепи, включает: наличие слабых неустойчивых вмещающих пород, большие глубины и диаметры стволов, а также малая толщина крепи.

Деформации крепи от внешней нагрузки при наличии технологических погрешностей незначительно увеличиваются в крепких устойчивых породах, а также породах средней крепости, и составляют 101,2-106% от деформаций базового НДС. В слабых, неустойчивых породах эти деформации составляют 102-155,3% от базовых в зависимости от глубины, диаметра и толщины крепи ствола.

Максимальные смещения контура крепи возникают в направлении короткой полуоси эллипса, т.е. образующаяся в результате технологических погрешностей эллиптичность кольца крепи усиливается под действием внешних нагрузок со стороны вмещающего породного массива.

В четвертой главе приведены результаты исследования влияния технологических отклонений при креплении ствола на параметры элементов армировки и соблюдение нормативных зазоров между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью.

Обследования стволов показали, что нарушение заделки расстрелов армировки в лунках являются одним из наиболее часто встречающихся дефектов армировки (до 30%), приводящих к ее отказу. Одной из основных причин этого дефекта, как видно из данных табл. 2, следует считать некачественную заделку или недостаточную длину концов расстрелов в крепи ствола.

Фактическая глубина заделки расстрела, в соответствии с рис. 8, равна

где ДЛ - величина радиальных отклонений контура крепи ствола от проектного положения, мм; - угол между продольной осью расстрельной балки и нормалью к поверхности крепи ствола в месте заделки; 1Р - нормируемая величина заделки, мм.

Таблица 2

Причины нарушения заделки расстрелов

Рис 8 Схема для определения фактической глубины заделки расстрела

Причины расшатывания расстрелов %, к общему числу отказов

Некачественная заделка лунок, недостаточная глубина заделки 67,4

Падение в ствол тяжелых предметов 14,0

Дпнтепьное действие нагрузки 7,0

Давление боковых пород 9,3

Коррозия расстрелов в заделке 2,3

Таким образом, расчет глубины заделки расстрела (консоли) в крепь должен производиться с учетом необходимого запаса глубины заделки.

При креплении расстрелов к стенкам ствола анкерами большое влияние на работоспособность армировки оказывает величина регулирования положения расстрела (консоли) в радиальном направлении. Как показывают расчеты, нормативные требования по величине регулирования длины расстрела полностью удовлетворяют фактическим условиям эксплуатации расстрелов только при их расположении в сечении с углами йх, 30" (т.е. центральных расстрелов и хордальных, расположенных в центральной части ствола и отсекающих дугу по контуру крепи величиной не менее 120°). Нормативная величина регулирования в продольном направлении хордальных расстрелов с углами 30° < < 60° в стволах глубиной свыше 1000 м (при Da = 6-7 м) и свыше 800 м (при = 8м) является недостаточной, так как не обеспечивает компенсации фактических радиальных отклонений крепи ствола.

Исследование фактических зазоров в стволах показало, что средняя величина зазора между бетонной крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда, вследствие нарушений проектного положения крепи, снижается с увеличением глубины и диаметра ствола от 174 до 106 мм, таким образом, на глубинах более 600 м часто не соблюдается регламентируемый ПБ зазор Дщщ =150 мм.

В пятой главе даны рекомендации по проектированию параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки с учетом ожидаемого отклонения контура крепи от проекта в процессе проходки и крепления, а также произведена оценка эффективности предложенных рекомендаций.

Проектирование параметров монолитной бетонной или набрызгбе-тонной крепи должно осуществляться с учетом концентрации напряжений в местах максимального утонения кольца крепи. На основании различия между базовым и критическим НДС крепи (см. главу 3) предлагается ввести в расчет толщины крепи коэффициент концентрации напряжений к, в местах утонения кольца, возникающих в результате неизбежных технологических погрешностей. С его учетом формула для нормативного расчета толщины крепи примет вид

где ту - коэффициент условий работы крепи, принимаемый разным 1,25; Л) - радиус вертикальной выработки в свету, мм; т^, - соответственно

коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, условие для нарастания прочности и температурные колебания; /?пр - расчетное сопротивление бетона сжатию, кПа; кр - коэффициент концентрации напряжений в конст-

рукции крепи, принимаемый равным 1 на протяженных участках ствола и равным (2 — 0,05z) в районе сопряжения, где г - расстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения, м; Р - горизонтальное давление на крепь, кПа; <5^6 - толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы; к, - коэффициент концентрации напряжений в крепи, возникающих в результате формирования кольца переменной толщины, определяемый по табл. 3.

Таблица 3

Рекомендуемые значения коэффициентов концентрации напряжений в крепи вследствие технологических погрешностей при креплении

Глубина ствола, м Значения коэффициента кг при диаметре ствола £>с„ м, толщине крепи 3, мм, и типе вмещающих пород

Dc, » 6 м D„ = 7 м j D„ = 8 м

S= 250|<5= 300l<5= 350'<J= 400 S= 250|<J= 300|i = 350'<5- 400|<5= 250| S= 300! S= 350|i = 400

Крепкие породы (/>7)

200 1,04 1,04 1,03 1,02 1,05 1,04 1,03 1 1,03 lr0S 1,05 1,04 1,03

600 1,08 1,08 1,07 1.07 1,08 1,07 1,06 1,06 1,08 1,08 1,07 1,06

800 1,09 1,08 1,08 1,08 1,09 1,03 1,08 1.07 1,10 1,09 1,08 1,08

I2C0 1.11 1,10 1,10 1,09 1,12 1,11 1,11 1,10 1,13 1,12 1,11 1,11

Породы средней крепости (f= 4-6)

200 1,09 1,08 1,07 1,06 1,09 1,08 1,07 1,06 1,08 1.07 ! 1,06 1,05

600 1,15 U2 1.11 1,10 1.14 1.12 1.11 1,09 1,13 1,11 1 1,10 1,09

Ш> 1,17 1.15 1,14 1,12 1,17 1,16 1,14 1.12 1.18 1,16 LJ,I4 1,12

1200 1,22 1,20 1,18 j 1.15 1,23 1,201 1,18 1,15 1,23 1,20 i 1,18 1,15

Слабые неустойчивые породы (/ = 1-3)

200 1,35 1,32 1,29 1,26 1,33 1,30 1,27 1,23 1,31 1,28 1,24 1,21

600 1,57 1,51 1,46 1,40 1,59 1,52 1,45 1,38 1,61 1,53 1,44 1,35

800 1,68 1,61 1,54 1,47 1,72 1,63 1,54 1,45 1,76 1,65 1,54 1,43

1200 1,90 1,80 1,71 1,62 1,98 1,85 1,73 1,60 2,06 1,90 1,74 1,58

Примечание. Значения коэффициента к, для промежуточных глубин и диаметров стволов могут определяться из сплайн-функции:

Г 0,071// - 0,13 W +1,068 - для крепких пород (/ > 7); kr = I 0,11 ЗЯ-0,341<5 + 1,16-для пород средней крепости (/ = 4-7); [о,506Я + 0,00419D - 0,135 +1,053 - для слабых пород (/ = 2-3).

где Я- глубина участка ствола, км; S- толщина крепи, м; D - проектный диаметр ствола в свету, м.

Для проектирования параметров крепи с учетом всех вышеперечисленных факторов разработано Wmdows-приложение «Эллипс», реализованное в среде программирования Microsoft Visual Basic 6.0. Кроме расчета толщины крепи в любом заданном сечении, программа выполняет графический контроль рассчитанных параметров путем построения поперечного сечения ствола с учетом деформации опалубки и отклонения ее центра в заданном направлении.

Расчет глубины заделки расстрела (консоли) в крепь должен производиться с учетом необходимого запаса глубины заделки, который может выражаться поправочным коэффициентом (табл. 4-6), находящимся в преде-

лах 1,06-1,56 и зависящим от глубины, диаметра ствола и угла а\, между продольной осью расстрельной балки и нормалью к поверхности крепи ствола в месте заделки.

Нормативная величина регулирования в продольном направлении хордальных расстрелов с углами 30" < б\,<, 60° в стволах глубиной свыше 1000 м (при Д„ = 6-7 м) и свыше 800 м (при £>с, = 8 м) должна быть увеличена по сравнению с нормативной в зависимости от глубины на 12-56% в ство-лахс Д, =6-7 ми на 20-74%-в стволах с Дв=8м.

Одинарные консоли должны проектироваться с углом < 45°, в этом случае предусмотренная нормативами величина регулирования длины консоли отвечает фактическим условиям эксплуатации армировки во всех стволах, за исключением глубоких, для которых предел регулируемости консоли должен быть увеличен на 2-11% при 1100 <Н < 1200 м и на 12-25% при // > 1200 м (в зависимости от диаметра ствола) относительно нормативных значений.

Таблица 4

Поправочные коэффициенты для определения глубины заделки расстрелов с двумя закрепленными концами при Ор 530°

Глубина ствола,м Глубина заделки расстрела, мм, при диаметре ствола Д„, м,

Д„ = 6м | Д» = 7м | 0„=8м

и угле Ор, град, между расстрелом и нормалью к поверхности крепи ствола в месте заделки

0° 10° 20° 30° 0° | 10° | 20° 30° 0° 10° 20° 30°

200 1,08 1,08 1,08 1,09 1,08 1 1,08 1,08 1,09 1,08 1,08 1,08 1,09

400 1,10 1,10 1,10 1,11 1,11 I 1,11 1,11 1,12 1,11 I.i I 1,12 1.12

600 1.11 1,12 1,12 1,13 1,12 ] 1,13 1.13 1,15 1,13 1,14 1,14 1,16

800 1.15 1,15 1,16 1,17 1,17 | 1,17 1.18 1,19 1,20 1,20 1.21 1,23

1000 1.19 1,19 1,20 1.21 1.21 { 1,21 1.22 1,24 1,22 1,23 1,24 1,26

1200 1.26 1,27 1,28 1,30 1,28 | 1,28 1,29 1,32 1Д9 1,30 1.31 1,33

Таблица5

Поправочные коэффициенты для определения глубины заделки расстрелов с двумя закрепленными концами при й)|>>30°

Гл>бкна ствола, ы Глубина задечки расстрета, мм при диаметре ствола Дв, м

D„=6м | 0„ = 7м 1

и угле (Ур, град, между расстрелом и нормалью к поверхности крепи ствола в месте заделки

40° 50° 60° 70° 40° 50° | 60° 70° 40° 50° 60° 70°

200 1,09 1,10 1,13 1,19 1,09 1,10 1 1,13 1,20 1,09 1,10 1.14 1,20

400 1.П 1,13 1,17 1,24 1,12 1,14 1 1,18 1,27 1,12 1.15 1,19 1,27

600 1,12 1,17 1,19 1,28 1,14 1,17 ! 1,22 1,32 1,15 1,18 1,23 1,34

800 1,17 1,20 1,26 1,37 1,19 1,22 1,29 1,42 1,22 1,27 1,34 1,50

1000 1,21 1,25 1,32 1,47 1,23 1,28 1,35 1,52 1,25 1,30 1,38 1,56

1200 1,29 1,35 1,45 1,65 1,31 1,37 1,47 1,69 1,32 1,39 1,50 1.73

Таблица 6

Поправочные коэффициенты для определения глубины заделки одинарных консолей при й)р > 30°

Глубина заделки расстрела, мм, при диаметре ствола Д. м.

Глубина ствола, м С„-7м

и угле 0)р, грая, между расстрелом и нормалью к поверхности крепи ствола в месте задетки

30° 40° 50° 60° 70" 30° 40° 50" 60° 70® 30° 40° 50° 60° 70°

200 1,06 1,07 1,08 1,10 1,15 1,06 1,07 1,08 1,11 1,16 1,06 1,07 1,08 1,11 1,16

400 1,07 1,08 1,10 1,13 1,19 1,08 1,09 1,11 1,14 1,21 1,08 1,10 1,11 1,15 1,21

600 1,09 1,10 1,12 1,15 1,22 1,10 1,11 1.13 1,17 1,25 1,10 1,12 1,14 1,18 1,27

800 1,12 1,13 1,16 1,20 1,29 1,13 1,14 1,17 1,22 1,32 1,15 1,17 1,21 1,27 1,39

1000 1,14 1,16 1,19 1,25 1,36 1,16 1,18 1,22 1,28 1,40 1,17 1,19 1,23 1,30 1,44

1200 1,20 1,22 1,27 1,35 1,51 1,21 1,24 1,29 1,37 1.54 1,22 1,25 1,30 1,39 1,56

Примечание *С целью снижения металлоемкости армировки и трудоемкости разделки лунок, при ор "> 45° целесообразнее переходить на установку консолей в направлении, перпендикулярном рассмотренному, если это позволяет компоновка оборудования и коммуникаций в поперечном сечении ствола.

Для обеспечения соблюдения регламентируемого ПБ зазора Дга1П=150 мм, проектируемое расстояние между бетонной крепью ствола и наиболее выступающей частью подъемного сосуда должно быть увеличено относительно принятых в настоящее время норм и составлять: при глубине ствола до 800 м - не менее 200 мм; при глубине 800 м и более - не менее 250 мм.

Все вышеперечисленные рекомендации по проектированию крепи и армировки, направлены на повышение устойчивости крепи ствола, на безремонтную эксплуатацию подъемного комплекса, что обеспечит бесперебойную работу всего горнодобывающего предприятия.

Сопоставление затрат по базовому (проектирование по действующим нормативным документам) и альтернативному варианту (проектирование крепи и армировки с учетом ожидаемых отклонений от проекта) производилось, исходя из первоначальных капитальных затрат на крепление и армирование ствола, а также прогнозируемых затрат на поддержание ствола в рабочем состоянии в период эксплуатации (т.е. на переармирование, перекрепление и текущий ремонт). Для оценки затрат на поддержание были приняты данные ВНИИОМШС, согласно которым, стоимость ремонта вертикальных стволов составляет от 20 до 37% от стоимости их проходки, в том числе на глубинах более 500 м требует ремонта около 30% крепи, что осложняет эксплуатацию и безопасность работы ствола. Кроме того, работы по ремонту крепи и армировки ствола, требуют значительного снижения производительности подъема или даже его полной остановки, что отрицательно сказывается на производственной мощности всего горного предприятия.

Повышение первоначальных затрат на проведение ствола связано с тем, что разработанные рекомендации предусматривают для глубоких стволов увеличение толщины крепи, и, как следствие диаметра ствола вчерне, что приводит к дополнительным затратам на проходку ствола и увеличению объема работ по креплению. Незначительное увеличение затрат на армирование связано с рекомендуемым удлинением расстрелов для обеспечения требуемой величины их заделки в крепь, а также несколько увеличенным объемом работ по разделке лунок. Оценка прогнозируемого снижения затрат на поддержание произведена, исходя из уменьшения количества нарушений крепи и армировки в Донбассе, вызванных технологическими погрешностями при креплении стволов.

Расчеты показали что, наибольшая эффективность предлагаемых решений ожидается для глубоких стволов большого диаметра, при этом снижение суммарных затрат на сооружение и поддержание ствола достигает 12%.

Для всех рассмотренных глубин, диаметров и проектных толщин крепи применение предлагаемых рекомендаций по проектированию крепи и армировки обеспечивает экономический эффект, который находится в пределах от 5 до 12%. В расчетах не учитывались экономические потери, вызванные простоями подъемов или снижением их производительности в процессе ремонтов стволов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения по проектированию монолитной бетонной крепи и жесткой армировки вертикальных стволов с учетом технологических погрешностей в процессе возведения крепи и их влияния на напряженно -деформированное состояние крепи и геометрические параметры армировки стволов, направленные на повышение работоспособности крепи и армировки и имеющие существенное значение для экономики шахтного строительства.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Найдена зависимость между радиальными отклонениями контура крепи ствола от проектного положения, диаметром и глубиной ствола.

2. Установлены тенденции изменения формы поперечного сечения ствола в свету и толщины крепи по периметру сечения в зависимости от глубины, диаметра и типа вмещающих пород при креплении монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки.

3. Изучено влияние отклонений контура крепи от проектных положения и формы на напряженно-деформированное состояние крепи и области регулирования элементов жесткой армировки.

4. Разработаны рекомендации по проектированию монолитной бетонной крепи с учетом изменения формы сечения ствола в свету и фактических радиальных отклонений контура крепи и ее толщины в процессе крепления ствола.

5. Разработано Windows-приложение для ПК по расчету параметров монолитной бетонной крепи с учетом технологических погрешностей при креплении.

6. Определены рациональные значения величин заделки элементов жесткой армировки в крепь, величин регулирования положения расстрелов в продольном направлении и рекомендуемые к проектированию значения расстояний между крепью и наиболее выступающей частью подъемного сосуда для обеспечения при заданных глубинах и диаметрах стволов требуемых Правилами безопасности зазоров.

7. Произведена оценка экономической эффективности предложенных рекомендаций по проектированию монолитной бетонной крепи и жесткой армировки с учетом ожидаемых радиальных отклонений контура крепи ствола от проектных положения и формы в процессе проходки.

Полученные в работе результаты и выводы рекомендуется учитывать в нормах проектирования параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки.

Результаты работы используются институтом «Ростовгипрошахт», НТЦ «Наука и практика», ОАО «Ростовшахтострой» при проектировании, строительстве и обследовании состояния крепи вертикальных стволов.

Основные результаты диссертащш опубликованы в следующих работах:

1. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Анализ влияния диаметра и глубины ствола на величину радиальных отклонений крепи// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.-С. 32-38.

2. Прокопова М.В. О необходимости повышения точности маркшейдерских работ при проходке и креплении вертикальных стволов // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: Материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 19-22 июня 2001.: В 2 ч. Ч.2 / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (ИЛИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2001. - С. 77-80.

3. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Статистический анализ радиальных отклонений крепи вертикальных стволов// Состояние и перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. В 2 ч. Ч. 1 / Шахтинский ин-т. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001-С. 95-101.

4. Прокопова М.В., Ходосов В.Г. Возможности применения современных маркшейдерских приборов в строительстве вертикальных шахтных стволов // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003.-С. 78-81.

5. Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Прокопова М.В. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных шахтных стволов // История становления и развития науки в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ): Сб. науч. трУ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003.- С. 168-173.

6. Прокопова М.В. О возможности комбинированного использования анкеров при сооружении вертикальных шахтных стволов // Материалы международной научно-практической конференции «Уголь - Mining Technologies 2003», посвященный 60-летию ГОАО «Луганскгипрошахт»/ Под ред В.Н. Окалелова. - Алчевск: ДГМИ, 2003. - С. 167 - 173.

7. Прокопова М.В. Анализ причин нарушений проектного положения бетонной крепи при сооружении вертикальных стволов// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2003.- Приложение № 4.- С. 61-66.

8. Прокопова М.В. Маркшейдерское обеспечение армирования шахтных стволов безрасстрельными конструкциями// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2003.- Приложение № 4.- С. 89-93.

9. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В. Ресурсосберегающие технологии армирования вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-анатитический бюллетень - М.: МГГУ, 2004.-№1.-С. 220-225.

Подписано в печать 26 04 2004 г Формат 60x90 1/16 Бумага офсетная Печать оперативная Уч печ л 1,4 Тираж 100 экз Заказ № 47-0554

Центр оперативной полиграфии ЮРГТУ(НПИ) 346428, г Новочеркасск, ул Просвещения, 132

ИИ0737

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Прокопова, Марина Валентиновна

Введение.

1. Анализ состояния крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса. Цели и задачи исследования.

1.1. Общие положения.

1.2. Анализ характера и причин нарушений крепи.

1.3. Анализ литературных источников по исследуемой проблеме.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Исследование фактических отклонений параметров сечения ствола от проектного положения в зависимости от диаметра и глубины.

2.1. Общие положения.

2.2. Исследования средних радиальных отклонений стенок крепи ствола.

2.2.1. Группировка данных.

2.2.2. Определение корреляцион&й связи радиальных отклонений крепи с глубиной ствола.

2.2.3. Определение корреляционной связи радиальных отклонений крепи с диаметром ствола.

2.3. Множественная корреляция между радиальными отклонениями стенок ствола, его глубиной и диаметром.

2.4. Анализ тенденции изменения формы сечения ствола в свету.

2.5. Анализ тенденции изменения толщины крепи ствола.

• 2.6. Выводы по главе 2.

3. Исследование напряженно-деформированного состояния кольца крепи переменной толщины на математических моделях.

3.1. Постановка задачи и выбор метода ее решения.

3.2. Построение конечно-элементных моделей монолитной бетонной крепи ствола и вмещающих пород.

3.3. Расчет параметров напряженно-деформированного состояния крепи стволов на конечно-элементных моделях.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Исследование влияния радиальных отклонений контура крепи ствола на армировку.

4.1. Общие положения.

4.2. Исследование влияния радиальных отклонений контура монолитной бетонной крепи ствола на величину заделки расстрелов в лунках.

4.3. Исследование влияния радиальных отклонений контура монолитной бетонной крепи ствола на длину расстрелов, устанавливаемых на анкерах.

4.4. Исследование влияния радиальных отклонений контура крепи ствола от проектного положения на соблюдение безопасных зазоров между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью.

4.5. Выводы по главе 4.

5. Методические рекомендации по проектированию параметров крепи и армировки и оценка экономической эффективности предлагаемых решений.

5.1. Методические рекомендации по проектированию параметров монолитной бетонной крепи.

5.2. Реализация методики проектирования параметров монолитной бетонной крепи на ПЭВМ.

5.3. Методические рекомендации по проектированию параметров жесткой армировки.

Ш 5.4. Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений и рекомендаций.

5.5. Выводы по главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки"

Актуальность работы. Комплекс вертикальных стволов является одним из основных звеньев в технической системе горнодобывающего предприятия в период его строительства и эксплуатации. В период строительства горнодобывающего предприятия стволы располагаются на критическом пут ти, через них ведутся работы по вскрытию и подготовке месторождения, монтажу проходческого и добычного оборудования, поэтому они оказывают существенное влияние на срок и стоимость всего строительства.

В период эксплуатации стволы являются основными капитальными выработками, служащими для выдачи полезного ископаемого и горной массы, спуска-подъема людей, материалов и оборудования, вентиляции, прокладки кабелей и трубопроводов и др. От работоспособности вертикальных стволов зависит надежность и эффективность работы всего горного предприятия.

На территории бывшего СССР и в России выполнены большие объемы работ по строительству и эксплуатации стволов горнодобывающих предприятий. Строительство и поддержание вертикальных стволов производится на базе нормативных документов, разработанных ведущими организациями и специалистами отрасли. Однако в практике эксплуатации вертикальных стволов часто наблюдаются нарушения крепи и отказы армировки (53% глубоких стволов и 42% стволов средней глубины). Анализ показал, что из общего числа отказов 38-50% нарушений вызваны технологическими отклонениями от проектных решений, допущенными в процессе проходки стволов буровзрывным способом с креплением монолитным бетоном по совмещенной схеме.

Учитывая вышеизложенное, поставлена следующая цель исследования.

Цель работы - повышение работоспособности крепи и армировки вертикальных стволов путем учета на стадии проектирования и строительства ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи от нормативных величин и формы сечения ствола в свету, связанных с особенностями буровзрывной-технологии проходки стволов с креплением монолитным бетоном или железобетоном при помощи передвижных металлических опалубок.

Идея работы. Определение параметров монолитной бетонной (железобетонной) крепи, области регулирования узлов крепления элементов жесткой армировки, безопасных расстояний между наиболее выступающими (И частями подъемных сосудов и крепью ствола должно производится с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи ствола от расчетного положения и изменения формы сечения ствола в свету и толщины крепи, связанных с особенностями технологии ведения работ, диаметром в свету и глубиной ствола.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий:

- системный анализ современного состояния и фактических данных, материалов исследований других авторов, литературных, проектных и нормативных источников;

- методы математической статистики с элементами теории вероятности;

- методы теории упругости, строительной механики и теории предельного равновесия;

- конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива;

- разработку программного обеспечения для расчета основных параметров крепи стволов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе проходки стволов буровзрывным способом с монолитной бетонной (железобетонной) крепью, вследствие деформации подвесной опалубки, сечение ствола в свету принимает овальную, близкую к эллипсу, форму с постоянной ориентацией большой и малой осей. Величина соотношения малой и большой осей ствола зависят от глубины Н, км, диаметра ствола в свету D, м, и описываются уравнением

Anin/Anax=l -0,018#-0,0015Д а средние радиальные отклонения контура крепи по периметру сечения ствола в свету от проектного положения в процессе проходки прямо пропорциональны диаметру и нелинейно зависят от глубины. Нелинейность связи уси-^ ливается при глубине ствола, превышающей 600 м.

2. Фактическое сечение крепи ствола в горизонтальной плоскости представляет собой кольцо переменной толщиной с внутренним контуром в виде овала. Толщина крепи в кольце характеризуется соотношением малой и большой осей овала, а также величиной и азимутом отклонения центрального отвеса в заходке от вертикальной оси ствола.

3. Максимальные эквивалентные напряжения в бетонной крепи в результате фактических отклонений кольца крепи от проектных положения и формы увеличиваются с глубиной ствола и достигают в местах утонения крепи в крепких породах 110%, в породах средней крепости 120% и в слабых неустойчивых породах 200% от соответствующих напряжений в крепи с проектными параметрами.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- в установлении зависимости между фактическими радиальными отклонениями крепи вертикальных стволов, их глубиной и диаметром;

- в определении тенденции изменения формы и размеров поперечного сечения вертикальных стволов круглого сечения разных диаметров с увели

9 чением глубины и установлении зависимости эллиптичности (отношения малой и большой полуосей) сечения ствола от его глубины и диаметра;

- в установлении зависимости изменения максимальных эквивалентных напряжений и деформаций крепи ствола для различных типов вмещающих пород, глубин, диаметров и толщин крепи вследствие технологических погрешностей при креплении.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом большого массива фактических маркшейдерских данных по 74 стволам, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных методов математической статистики; использованием теорем и уравнений аналитической геометрии и математического анализа; конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «ЛИРА-Windows» 8.01.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости изменения формы сечения ствола в свету, толщины крепи по периметру сечения, радиальных отклонений стенок крепи от проектного положения от диаметра, глубины ствола и типа вмещающих пород при проходке с креплением монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки и их влияния на напряженно-деформированное состояние, несущую способность крепи и область регулирования узлов крепления жесткой армировки.

Практическое значение работы заключается в разработке конкретных рекомендаций для учета изменения формы сечения ствола в свету, фактических радиальных отклонений стенок крепи и ее толщины в процессе проходки при проектировании и строительстве.

Реализация результатов исследований. Результаты работы используются институтом «Ростовгипрошахт», НТЦ «Наука и практика», ОАО «Рос-товшахтострой» при проектировании, строительстве и обследовании состояния крепи вертикальных стволов с применением разработанного Windows-приложения по расчету параметров бетонной крепи в среде Microsoft Visual Basic 6.0.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (г. Новочеркасск, 2001 г.), Международных научных симпозиумах «Неделя горняка-2003» (г. Москва, 2003 г.), «Неделя горняка-2004» (г. Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Уголь-Mining Technologies 2003» (г. Алчевск, Украина, 2003 г.); 50-й, 51-й, 52-й и 53-й региональных научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) (г. Шахты, 2001-2004 гг.), научных семинарах ка-• федры строительства подземных сооружений и шахт ШИ ЮРГТУ(НПИ) г. Шахты, 2003-2004 гг.), в технических советах «Ростовшахтострой» (г. Шахты, 2003-2004 гг.), НТЦ «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону, 20032004 гг.), «Луганскгипрошахт» (г. Луганск, Украина, 2003 г.)

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 139 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 42 таблицы, список использованной литературы из 133 наименований и 14 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Прокопова, Марина Валентиновна

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Анализ влияния диаметра и глубины ствола на величину радиальных отклонений крепи// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 32-38.

2. Прокопова М.В. О необходимости повышения точности маркшейдерских работ при проходке и креплении вертикальных стволов // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: Материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 19-22 июня 2001.: В 2 ч. 4.2 / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2001.-С. 77-80.

3. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Статистический анализ радиальных отклонений крепи вертикальных стволов// Состояние и перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. В 2 ч. Ч. 1 / Шахтинский ин-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.-С. 95-101.

4. Прокопова М.В., Ходосов В.Г. Возможности применения современных маркшейдерских приборов в строительстве вертикальных шахтных стволов // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003- С. 78-81.

5. Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Прокопова М.В. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных шахтных стволов // История становления и развития науки в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ): Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003.- С. 168-173.

6. Прокопова М.В. О возможности комбинированного использования анкеров при сооружении вертикальных шахтных стволов // Материалы международной научно-практической конференции «Уголь - Mining Technologies 2003», посвященный 60-летию ГОАО «Луганскгипрошахт»/ Под ред В.Н. Окалелова. -Алчевск: ДГМИ, 2003. - С. 167 - 173.

7. Прокопова М.В. Анализ причин нарушений проектного положения бетонной крепи при сооружении вертикальных стволов// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки - 2003 - Приложение № 4 - С. 61-66.

8. Прокопова М.В. Маркшейдерское обеспечение армирования шахтных стволов безрасстрельными конструкциями// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2003 - Приложение № 4- С. 89-93.

9. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В. Ресурсосберегающие технологии армирования вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2004. - №1. -С. 220-225.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения по проектированию монолитной бетонной крепи и жесткой ар-мировки вертикальных стволов с учетом технологических погрешностей в процессе возведения крепи и их влияния на напряженно-деформированное состояние крепи и геометрические параметры армировки стволов, направленные на повышение работоспособности крепи и армировки и имеющие существенное значение для экономики шахтного строительства.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Найдена зависимость между радиальными отклонениями контура крепи ствола от проектного положения, диаметром и глубиной ствола.

Щ>

2. Установлены тенденции изменения формы поперечного сечения ствола в свету и толщины крепи по периметру сечения в зависимости от глубины, диаметра и типа вмещающих пород при креплении монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки.

3. Изучено влияние отклонений контура крепи от проектных положения и формы на напряженно-деформированное состояние крепи и области регулирования элементов жесткой армировки.

4. Разработаны рекомендации по проектированию монолитной бетонной # крепи с учетом изменения формы сечения ствола в свету и фактических радиальных отклонений контура крепи и ее толщины в процессе крепления ствола.5. Разработано Windows-приложение для ПК по расчету параметров монолитной бетонной крепи с учетом технологических погрешностей при креплении.

6. Определены рациональные значения величин заделки элементов жесткой армировки в крепь, величин регулирования положения расстрелов в продольном направлении и рекомендуемые к проектированию значения расстояний между крепью и наиболее выступающей частью подъемного сосуда для обеспечения при заданных глубинах и диаметрах стволов требуемых Правилами безопасности зазоров.

Полученные в работе результаты и выводы рекомендуется учитывать в нормах проектирования параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Прокопова, Марина Валентиновна, Новочеркасск

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 2000. - 560 с.

2. Ардашев К.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления: Справ./ К.А. Ардашев, В.И. Ахматов, Г.А. Катков. М.: Недра, 1981.- 129 с.

3. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1988.-270 с.

4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1992. - 543 с.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. М.: Недра, 1986. - 272 с.

6. Баклашов И.В., Пильч Ю.Б., Ягодкин Ф.И. Современное состояние и основные тенденции развития конструктивных решений жесткой армировки //Строительство предприятий угольной промышленности: Обзорная информация/ М.: ЦНИИЭИуголь, 1986. 29с.

7. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. -М.: Недра, 1979.-263 с.

8. Баронский И.В., Смольников Ю.Б., Богомолов В.Д. О долговечности армировки вертикальных стволов с консольными расстрелами// Шахтное строительство. 1982. - №4, С. 20 - 21.

9. Борщевский С.В. Перспективы совершенствования технологических схем сооружения вертикальных горных выработок//Труды НГУ. №15. Т.2. -Днепропетровск, 2002. - www.cgit.nmu.org.ua.

10. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. -М.: Наука, 1984. 192 с.

11. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994. - 382 с.

12. Bulychev N.S. Underground Structure Mechanics as a part of Geotechnical Engineering. GEET Conference. Bucharest, ROMANIA, 2000.

13. Булычев H.C., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.-301 с.

14. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 288 с.

15. Быкова О.Г. Напряжения в кольце переменной толщины// Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр. Тула: ТулПИ, 1988. - С. 49-56.

16. Быкова О.Г. Расчет бетонной крепи переменной толщины// Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр. Тула: ТулПИ, 1990.- С. 42-46.

17. Быкова О.Г., Барковский В.М., Булычев И.Н. Исследование влияния толщины крепи ствола на ее напряженное состояние// Шахтное строительство. 1989.-№12. - С. 16-18.

18. Вершинина И.Н., Сыркин С.П. Влияние технологических схем проходки на качество крепи и оконтуривание сечения ствола// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000 - С. 78-82.

19. Веселов Ю.А., Мамонтов Н.В., Третьяченко А.Н. Углубка и ремонт шахтных стволов. М.: Недра, 1992. - 270 с.

20. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. Киев: Наук, думка, 1989. - 192 с.

21. Волченков Н.Г. Программирование на Visual Basic 6: В 3-х ч. М.: ИН-ФРА-М, 2002.

22. Воробьев А.Н., Гусев Ю.Г., Шрайбер П.А. Конструкция и расчет крепи шахтного ствола переменной толщины// Автоматизация и современные технологии. 2001. - №3. - С. 3-17.

23. Воронцов Г.В., Резниченко А.И., Нечаев Л.Б. Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций по методу конечных элементов. Новочеркасск: НГТУ, 1994. - 119 с.

24. Гавруцкий А.Е., Мусиенко В.Д. Аппаратурный контроль геометрических параметров армировки стволов в условиях значительных перемещений породного массива// Шахтное строительство. 1980. - № 7 - С. 24 - 27.

25. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А. Шире применять прогрессивные конструкции жестких армировок стволов//Шахтное строительство, 1987.-№6. С. 1418.

26. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А., Кладов В.М. О горизонтальных нагрузках на проводники жестких армировок в искривленных стволах// Исследование, разработка и эксплуатация шахтных стационарных установок.- Донецк: ВНИИГМ им. М.М. Федорова, 1981. С. 3 - 8.

27. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А., Кладов В.М. Определение жесткости консольных расстрелов армировки шахтного ствола//Вопросы разработки шахтных стационарных установок. Донецк, 1982. - С. 112—118.

28. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных выработок. М.: Недра, 1982. - 479 с.

29. Гладкий А.В., Шкапура А.П. Анкерное крепление расстрелов вентиляционного ствола №3 шахты «Комсомолец Донбасса»// Уголь. 1991. - №2. - С. 11.

30. Глушко В.Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. -М.: Недра, 1982.

31. Глушко В.Т., Гавеля С.П. Оценка напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. М.: Недра, 1986. - 221 с.

32. Глушко В.Т., Широков А.З. Механика горных пород и охрана выработок. -Киев: Наукова Думка, 1967. 153 с.

33. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2001. — 479 с.

34. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2-х ч. Ч. II. М.: Высш. шк., 1999. - 416 с.

35. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1973.-228 с.37