Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование параметров крепи зумпфов углубляемых вертикальных стволов

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование параметров крепи зумпфов углубляемых вертикальных стволов"

На правах рукописи

ТКАЧЕВА Карина Эдуардовна

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КРЕПИ ЗУМПФОВ УГЛУБЛЯЕМЫХ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ДЕК 2014

Тула 2014

005556138

005556138

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет» на кафедре инженерной геологии, оснований и фундаментов.

Научный руководитель:

ПРОКОПОВА Марина Валентиновна, кандидат технических наук, доцент. Официальные оппоненты:

СЕРГЕЕВ Сергей Валентинович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»/ кафедра прикладной геологии и горного дела, профессор.

ВОРОНИНА Ирина Юрьевна, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»/ кафедра механики материалов, доцент.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный

технический университет имени Т.Ф. Горбачева», г. Кемерово.

Защита состоится 11 февраля 2015 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.04 при Тульском государственном университете по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 90, 6-й учебный корпус, ауд. 220. Тел./факс: (4872) 33-13-05, e-mail: toolart@maiI.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТулГУ (г. Тула, просп. Ленина, 92)

Автореферат разослан «Л?» мс-я^/э-Я' 2014 г.

Копылов Андрей Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из характерных особенностей разработки месторождений является увеличение глубины и отработка запасов глубоких горизонтов, что часто сопряжено с углубкой действующих вертикальных стволов. В ряде случаев, в частности на рудных месторождениях, вскрытие новых горизонтов осуществляется в основном вертикальными стволами и этажными квершлагами с периодической углубкой стволов. На многих угольных шахтах, особенно при крутом залегании пластов, вскрытие осуществлено новыми вертикальными стволами. Поэтому, для подготовки последующих горизонтов объем работ по углубке стволов будет возрастать.

В течение длительного времени эксплуатации, соизмеримого со сроком службы горнодобывающего предприятия, в крепи под воздействием комплекса факторов появляются нарушения в виде трещин, заколов, вывалов, в сложных гидрогеологических условиях начинают развиваться процессы коррозии бетона. С увеличением глубины условия эксплуатации усложняются. Об этом свидетельствует анализ опыта эксплуатации и результатов обследования глубоких вертикальных стволов шахт и рудников, согласно чему более 70 % стволов имеют нарушения крепи. Следовательно, перед выполнением работ по углубке крепь углубляемого ствола может находиться в неудовлетворительном состоянии, требующем проведения дополнительных мероприятий по ремонту и восстановлению поврежденных участков или полной замены разрушенной крепи новой крепью.

Однако вопросам условий эксплуатации и надежности крепи зумпфов при проектировании углубки не уделяется достаточного внимания. Не осуществляется учет изменения напряженно-деформированного состояния крепи зумпфа при влиянии заполнения и откачивания воды из зумпфа, а также при выполнении работ по углубке ствола. Недостаточная изученность исследуемой проблемы может стать причиной возникновения нарушений крепи зумпфа, снижения ее несущей способности и необходимости проведения работ по ее восстановлению и ремонту.

Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-13 гг.)»: «Снижение риска и уменьшения последствий техногенных катастроф путем создания экологически безопасных технологий разработки техногенных месторождений с добычей из них полезных ископаемых компонентов методами механохимической активации» (ГК 14.740.11.0427); «Разработка безотходных экологически безопасных способов добычи и переработки руд месторождений Северного Кавказа на основе комбинирования традиционных и инновационных технологий» (ГК 16.515.11.5039).

Целью работы является уточнение закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния элементов системы «крепь зумпфа - породный массив» для обоснования параметров крепи зумпфов углубляемых вертикальных стволов.

Идея работы заключается в том, что параметры крепи зумпфов вертикальных стволов проектируются на основе выявленных закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния системы «крепь зумпфа — породный массив» в процессе углубки.

Основные научные положения, защищаемые автором: на напряженно-деформированное состояние крепи зумпфа оказывают влияние процессы заполнения и откачивания воды, при этом максимальные напряжения в крепи описываются уравнением поверхности первого порядка и зависят от модулей деформации бетона крепи и вмещающих пород;

при выполнении углубочных работ способом сверху вниз полным сечением напряжения в крепи зумпфа нелинейно возрастают на этапах выемки пород на величину заходки, возведения и набора прочности кольца бетонной крепи;

применение разработанной конструкции блочной крепи зумпфов позволяет обеспечить податливый режим работы и создать зоны с регулируемой деформацией в условиях эксплуатации и углубки ствола. Научная новизна работы заключается в следующем: разработаны пространственные конечно-элементные модели зумпфовой части ствола с двухсторонним сопряжением, учитывающие физическую нелинейность работы элементов крепи и массива пород и позволяющие методом последовательных нагружений оценивать напряженно-деформированное состояние системы «крепь зумпфа — породный массив» на каждом этапе углубки ствола;

выявлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния крепи зумпфа, отличающиеся учетом процессов заполнения и откачивания воды, а также влияния двухстороннего сопряжения ствола с выработками околоствольного двора;

установлены зависимости изменения напряженно-деформированного состояния элементов системы «крепь зумпфа — породный массив» от модуля деформации крепи и пород при поэтапной углубке ствола по совмещенной технологии сверху вниз полным сечением;

разработана конструкции блочной крепи зумпфа, отличающаяся вертикальным расположением внешних выступов и позволяющая создать зоны с регулируемой деформацией в условиях эксплуатации и углубки ствола, обеспечивая податливый режим работы крепи (патент №2474693).

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются натурные наблюдения за состоянием монолитной бетонной крепи вертикальных стволов; статистический анализ результатов обследования вертикальных стволов шахт и рудников; численное моделирование системы «крепь зумпфа - породный массив» методом конечных элементов; корреляционный анализ; аналитические методы расчета на основе положений геомеханики.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием современного численного метода моделирования -

метода конечных элементов, реализованного в ПК «Лира»; сходимостью результатов моделирования с решениями, полученными с применением аналитических методик; использованием апробированных методов математической статистики.

Научное значение работы заключается в разработке конечно-элементной модели зумпфовой части ствола с двухсторонним сопряжением и выявлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния элементов системы «крепь зумпфа - породный массив» на различных этапах уг-лубки ствола.

Практическое значение работы состоит в разработке новой конструкции блочной крепи и в обосновании параметров крепления зумпфа, учитывающей специфику нагружения зумпфовой части ствола на различных этапах углуб-ки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Основные результаты работы использованы ООО «НТЦ «Наука и практика» при разработке проекта реконструкции главного ствола №2 Объединенного Кировского рудника ПО «Аппатит». Результаты исследований внедрены Шахтинским филиалом ФГБУ «ИГПС» Минобрнауки России в образовательный процесс кафедры геотехнологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных симпозиумах «Неделя горняка - 2012, 2013» (МГГУ, г. Москва), международном форуме-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПбГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова, г. С.-Петербург, 2009 г.), Всероссийской конференции-конкурсе студентов выпускного курса (СПбГГИ (ТУ) им. Г.В. Плеханова, г. С.-Петербург, 2009 г.); 3-й Международной научно-практической конференции «Перспективы освоения подземного пространства» (НГУ, г. Днепропетровск, 2009 г.), 7-й международной научно-практической конференции «Перспективы развития строительных технологий» (г. Днепропетровск, 2013 г.), международных научных конференциях «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (г. Донецк, 2007-2013 гг.), международных научных конференциях «Перспектива - 2008» и «Перспектива - 2012» (г. Нальчик, 2008, 2012 гг.), Всероссийском смотре-конкурсе научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007» и «Эврика-2008» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2007, 2008 гг.), международном научно-практическом семинаре «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 2009 г.), международных 55-57-й научно-практических конференциях «Перспективы развития Восточного Донбасса» (ШИ ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты, 2006-2008 гг.), научных семинарах кафедры геотехнологии и строительства подземных сооружений ТулГУ (2013 и 2014 гг.), кафедры инженерной геологии, оснований и фундаментов РГСУ (г. Ростов-на-Дону, 2013 и 2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 20 научных работ, включая 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент, при этом 7 работ были опубликованы в зарубежной печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 3 приложений, содержит 144 страницы машинописного текста, 47 рисунков, 36 таблиц, библиографический список из 107 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Существенный вклад в развитие науки в области охраны стволов, обеспечения безопасной и безремонтной эксплуатации на протяжении всего срока существования горнодобывающего предприятия в условиях увеличения глубины и изменения горно-геологических и горнотехнических условий, влияния комплекса факторов на надежность и долговечность крепи внесли А.Г. Акимов, И.В. Баклашов, В.Е. Боликов, В.А. Борисовец, C.B. Борщевский,

A.B. Будник, Н.С. Булычев, И.Ю. Воронина, В.В. Гамаюнов, В.И. Голик, Б.А. Грядущий, И.Е. Долгий, В.А. Дрибан, В.П. Друцко, Б.А. Картозия, A.M. Козел, И.Г. Косков, К.В. Кошелев, В.В. Левит, В.В. Макаров, И.Г. Манец, И.А. Мартыненко, С.А. Масленников, В.И. Нечаенко, И.М. Папанкоев, В.В. Першин, М.С. Плешко, В.А. Прагер, А.Ю. Прокопов, М.В. Прокопова, А.Г. Протосеня, A.A. Репко, И.И. Савин, В.И. Сарычев, C.B. Сергеев, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркин, Б.М. Усаченко, H.H. Фотиева, Х.Х. Хакимов, И.И. Харитонов, М.Н. Шуплик, Ф.И. Ягодкин и др. ученые.

Вопросам углубки вертикальных стволов посвящены труды И.В. Баронского, Ю.А. Веселова, Н.В. Мамонтова, Э.О. Миндели, Р.Г. Мордуховича,

B.Е. Морозова, И.Ю. Пасиченко, Н.М. Покровского, А.Н. Третьяченко, P.A. Тюркяна, П.И. Федоренко, Б.И. Федунца, В.А. Федюкина, С.А. Федорова, Р.Б. Флярковского, В.П. Фролова, Ю.П. Шутько и др.

Несмотря на значительные достижения ученых и специалистов в решении проблемы предотвращения нарушений крепи, исследования причин их возникновения и обеспечения безопасной эксплуатации, количество стволов с нарушениями крепи на шахтах и рудниках в России и за рубежом увеличивается.

Углубке стволов предшествует выполнение ряда подготовительных работ, в числе которых откачивание воды из зумпфа,. оказывающей давление на внутренние стенки крепи весь период эксплуатации до выполнения углубоч-ных работ. В свою очередь углубка характеризуется возобновлением горнопроходческих работ, производимых в непосредственной близости от крепи зумпфа. Проектирование крепи зумпфов и углубляемой части вертикальных стволов производится с учетом начального напряженно-деформированного состояния (НДС) массива пород. Отсутствуют методы оценки изменения НДС крепи и пород при откачивании воды и углубке. В связи с этим цель,

идея работы и современное состояние исследований обусловили необходимость постановки и решения следующих задач:

исследование изменения НДС системы «крепь зумпфа - породный массив» при влиянии заполнения и откачивания воды из зумпфа;

выполнение анализа изменения НДС системы «крепь зумпфа - породный массив» при углубке ствола;

получение зависимости максимальных напряжений в крепи зумпфа от модуля деформации пород и модуля деформации бетона;

разработка рациональной конструкции блочной крепи, учитывающей специфику нагружения зумпфовой части ствола на различных этапах углубоч-ных работ;

выполнение сравнительного анализа НДС традиционной монолитной бетонной и разработанной блочной крепи.

Для исследования изменения НДС системы «крепь зумпфа - породный массив» при влиянии заполнения и откачивания воды разработан ряд пространственных конечно-элементных моделей зумпфовой части ствола с двухсторонним сопряжением. Разработка моделей и определение параметров НДС выполнены в ПК «Лира».

К моделированию приняты: глубина зумпфа - 12 м; крепь - монолитный бетон толщиной 300 мм; диаметр ствола в свету -6 м; глубина ствола -600 м. Сопряжение имеет наклонную кровлю. Ширина сопряжения соответствует диаметру ствола, высота сопряжения - 4,5 м. Высота заполнения зумпфа водой -9 м. Нагрузка на крепь от давления пород со стороны массива рассчитана по методике проф. Н.С. Булычева и проф. В.Н. Каретникова.

Расчет параметров НДС элементов системы «крепь зумпфа - породный массив» выполнен шаговым методом последовательных нагружений с учетом изменения режима нагружения крепи поэтапно:

— до заполнения зумпфа водой (этап I);

— на этапе заполнения зумпфа водой (этап 2);

— в результате откачивания (этап 3).

Результаты расчета получены для разных пород при четырех основных литотипах: песчаники (£=40-10"3 МПа), алевролиты (£=25-10"3 МПа), аргиллиты (£=17-10"3 МПа) и углистые сланцы (£=4,6-Ю'3 МПа), и различных характеристик бетона крепи (при использовании бетонов класса по прочности В15, В20 и В25).

Анализ результатов расчета свидетельствует о неравномерности распределения напряжений в поперечном сечении и по глубине зумпфа. Максимальные изменения напряжений при заполнении и откачивании воды зафиксированы в верхней части зумпфа, наиболее приближенной к сопряжению. Установлено, что на 2-м этапе нагружения при увеличении напряжений в крепи нижней части зумпфа происходит увеличение напряжений в крепи верхней части, которое в большей степени проявляется в бетоне В15 при моделировании крепи в песчаниках. На 3-м этапе в нижней части зумпфа наблюдается увеличение напряжений в крепи, моделируемой в породах средней

крепости (алевролитах и аргиллитах), и снижение напряжений в крепи в песчаниках и углистых сланцах. Напряжения в крепи верхней части зумпфа на 3-м этапе снижаются.

Степень увеличения напряжений в крепи колеблется в зависимости от типа вмещающих пород и характеристик материала крепи и составляет:

- в крепких породах (песчаник) 177,7-180,7% в верхней части зумпфа и 114,5-120,8% в нижней части по отношению к напряжениям, возникающим от давления пород со стороны массива пород (на 1-м этапе);

- в слабых породах (углистый сланец) 118,1-126,3% в верхней части зумпфа при снижении напряжений в крепи нижней части зумпфа после откачивания на 18,2-34,9%;

- в алевролитах 162,5-168,1% в верхней и 134,1-147,1% в нижней части зумпфа;

- в аргиллитах 162,3-166,9% и 154,4-162,9%.

Графики, отражающие изменения напряжений в крепи (бетон В15) и массиве пород на верхнем и нижнем участках зумпфа на каждом этапе нагруже-ния представлены на рисунках 1 и 2 соответственно.

о,

МПа

у

у ч

/ ^ *" ■ <

/ , ^' ^^ /

1 - - ~

rzz------

Рисунок 1 - Изменение напряжений в крепи зумпфа (бетон В15) на каждом этапе нагружения при моделировании в породах: 1 - песчаниках; 2 - алевролитах; 3 - аргиллитах; 4 — углистых сланцах; --в верхней части зумпфа;----в нижней части зумпфа

Аналогичные результаты получены для бетона классов В20 и В25. Количество КЭ крепи, в которых соотношения между компонентами напряжений достигли предельных значений, при моделировании в алевролитах и аргиллитах составляет 11,9 и 12,3 % от общего количества КЭ крепи зумп-

фа соответственно. КЭ расположены в верхней части зумпфа, наиболее приближенной к сопряжению. Самыми неблагоприятными условиями для крепи зумпфа (для всех классов бетона) являются аргиллиты. Во всех случаях в верхней части зумпфа в крепи возникали пластические деформации. Количество таких КЭ: в бетоне класса В15 - 9%, В20 - 4,5%, В25 - 1%. С каждым шагом нагружения их количество возрастаю на 3,3%, 2,2% и 1,7% соответственно.

Рисунок 2 - Изменение напряжений в массиве пород (при моделировании крепи из бетона В15) на каждом этапе нагружения: 1 - песчаник; 2 - алевролит; 3 - аргиллит; 4 - углистый сланец; --в верхней части зумпфа;----в нижней части зумпфа

Для исследования изменения НДС системы «крепь зумпфа - породный массив» при влиянии углубки построена последовательность конечно-элементных моделей, каждая из которых соответствует определенному этапу выполнения работ проходческого цикла: выемке массива пород на величину заходки; возведению крепи с учетом неполного набора прочности бетона; набора проектной прочности бетона.

В результате расчета установлено:

- увеличение напряжений в крепи зумпфа при моделировании углубки во всех исследуемых типах пород и классах бетона;

- снижение напряжений в массиве пород зумпфовой части ствола во всех случаях, за исключением моделирования углубки в алевролитах;

- в более слабых породах (углистый сланец) зафиксированы наибольшие изменения напряжений в крепи зумпфа и наименьшие изменения напряжений в массиве.

- наибольшие изменения напряжений в крепи зумпфа при углубке ствола наблюдались при моделировании крепи из бетона класса В25.

На рисунках 3 и 4 представлены графики, отражающие изменения напряжений в крепи зумпфа (бетон В25) и массиве пород в результате углубки.

о,

МПа 3

2.5

2

1.5

1

0.5 О

--------

-2

N

12 3 4

Этапы углубки

Рисунок 3 - Изменение напряжений в крепи зумпфа (бетон В25) на различных этапах углубки: 1 - песчаник; 2 - алевролит; 3 - аргиллит; 4 - углистый сланец

о,

МПа 0.45

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

—

/ —

--

1 2 3 4

Этапы углубки

Рисунок 4 - Изменение напряжений в массиве пород зумпфовой части ствола на различных этапах углубки: 1 - песчаник; 2 - алевролит; 3 - аргиллит; 4 - углистый сланец

Аналогичные результаты получены для бетона классов В20 и В25.

Степень увеличения напряжений в крепи зумпфа при углубке составляет: в крепких породах (песчаник) 100,9-103,4%; в слабых породах (углистый сланец) 124,7-127,6%; в алевролитах 107,8-110%; в аргиллитах 113-115,8%. Изменения напряжений в крепи зумпфа при влиянии заполнения и откачивания воды и при влиянии углубки описываются уравнением поверхности первого порядка и зависят от модулей деформации бетона крепи и вмещающих пород (рисунок 5, таблица 1).

До заполнения б) При заполнении

о. сг.

Рисунок 5 - Зависимости максимальных напряжений в крепи зумпфа от модулей деформации бетона и пород для каждого этапа нагружения: а) I - до заполнения; б) II - после заполнения зумпфа водой; в) III - при откачивании; г) в результате углубки

Учитывая особенности работы бетонной крепи зумпфа, при последовательном рассмотрении отдельных этапов ее нагружения предложено использование для крепления зумпфовой части ствола блочной крепи.

Конструктивно блочная крепь представляет собой железобетонные блоки с выступами на внешней стороне и смесь, укладываемую в пространство между внешними выступами блоков (рисунок 6).

Выступы имеют вертикальное расположение с внешней стороны по краям блока, что позволяет снизить напряжения в наиболее опасных сечениях кре-

пи. Соединение блоков в кольце крепи осуществляется дуговыми трубками, которые вводятся в арматурный каркас по торцам блока. Кольца блоков между собой соединяются при помощи болтовых соединений.

Таблица 1 - Зависимости максимальных напряжений в крепи зумпфа от модулей деформации бетона и пород

Этап

Зависимость

I - до заполнения зумпфа водой

сг = 0,08£в - 0,2£„ +3,39

II - заполнение зумпфа водой

сг = 0,09£б - 0,13£„ + 6,34

III - откачивание воды

а = 0,01 Е6 — 0,12Е„ + 6,4

IV -углубка

<х = 0Д£б-0Д7£„+7,51

Рисунок 6 - Конструкция блочной крепи: 1 - блок крепи; 2 - смесь для заполнения пустот за блоками; 3 - отрезок трубы с резьбой; 4 - внешние выступы; 5 - отрезок перфорированной трубы

Параметры блочной крепи определялись на конечно-элементных моделях с учетом специфики нагружения зумпфовой части ствола (для диаметра ствола 6 м) (рисунок 7).

Г и , Г

•Яг

1

--~ 1

1

Рисунок 7 - Параметры блочной крепи зумпфов вертикальных стволов

Сравнительный анализ НДС монолитной бетонной крепи разработанной конструкции блочной крепи позволил сделать вывод о том, что блочная крепь имеет более устойчивую конструкцию к воздействию исследуемых факторов.

Таблица 2 - Параметры блочной крепи зумпфов

Количество блоков в кольце крепи, шт а, м в, м А м /, м А, м Е, 1-Ю"3 МПа

16 0,130 0,125 1,177 1,170 1.000 25

Применение блочной крепи позволит создать зоны с регулируемой деформацией при заполнении, откачивании воды и углубке ствола, снизить влияние заполнения и откачивания на НДС верхней части зумпфа и влияние углубки на НДС нижней части при возобновлении проходческих работ по углубке. Наличие вертикальных внешних выступов позволяет обеспечить дополнительную жесткость конструкции за счет передачи части нагрузки от давления воды породам, т.к. при установке выступы соприкасаются с породными стенками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании выполненных экспериментальных и теоретических исследований уточнены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния элементов системы «крепь зумпфа - породный массив» на разных этапах углубочных работ для обоснования конструктивных и технологических решений по креплению зумпфов углубляемых стволов, что имеет существенное значение для горнодобывающей отрасли промышленности.

Основные выводы, научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. С переходом на отработку запасов глубоких горизонтов, вскрытие которых осуществляется в основном вертикальными стволами, объемы работ по углубке будут возрастать, в связи с этим исследование напряженно-деформированного состояния крепи и массива с учетом технологических особенностей углубочных работ является актуальным.

2. Разработаны пространственные конечно-элементные модели зумпфовой части ствола с двухсторонним сопряжением, учитывающие физическую нелинейность работы элементов крепи и массива пород, на которых методом последовательных нагружений изучено напряженно-деформированное состояние системы «крепь зумпфа - породный массив» на каждом этапе углубки ствола.

3. Уточнены закономерности изменения НДС крепи зумпфа при заполнении и откачивании воды с учетом влияния сопряжения для 3 классов бетона (В 15, В20 и В25) и пород с различными прочностными и деформационными характеристиками, при этом установлено, что максимальные напряжения в крепи описываются уравнением поверхности первого порядка и зависят от модулей деформации бетона крепи и вмещающих пород.

4. Для 3 классов бетона и пород 4 литотипов установлено, что при выполнении углубочных работ способом сверху вниз полным сечением напряжения в крепи зумпфа нелинейно возрастают на этапах выемки пород на величину заходки, возведения и набора прочности кольца бетонной крепи.

5. Разработана новая конструкция блочной крепи зумпфа ствола (патент №2474693), которая предусматривает вертикальное расположение внешних выступов по краям блока, систему отвода воды и заполнение закрепного пространства податливыми материалами. Вертикальное расположение выступов способствует частичной передаче нагрузки от давления воды, находящейся в зумпфе.

6. На основании численного моделирования и сравнительного анализа НДС разработанной блочной и традиционной монолитной бетонной крепи установлено, что блочная крепь позволяет обеспечить податливый режим работы, создать зоны с регулируемой деформацией, при этом происходит перераспределение напряжений в системе «крепь зумпфа - породный массив», что в условиях повышенного гидростатического давления имеет ряд преимуществ по сравнению с широко распространенной монолитной бетонной крепью.

7. Пространственные конечно-элементные модели зумпфовой части ствола с двухсторонним сопряжением и закономерности изменения НДС крепи зумпфа при заполнении и откачивании воды были использованы ООО «НТЦ «Наука и практика» при разработке проекта реконструкции главного ствола №2 Объединенного Кировского рудника ПО «Апатит».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Борщевский C.B., Прокопова М.В., Курнаков В.А., Ткачева К.Э. О проблемах поддержания и реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса// Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 245-254.

2. Прокопова М.В., Склепчук B.JI., Ткачева К.Э. Результаты обследования вертикальных стволов шахты «Обуховская №1» и рекомендации к проектированию их реконструкции// Известия ТулГУ. Естественные науки. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 314-321.

3. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния системы «крепь-массив» при углубке вертикальных стволов// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. №4. С. 213-216.

4. Голик В.И., Масленников С.А., Шинкарь Д.И., Голодов В.А., Ткачева К.Э. Экономическое обоснование эффективности реализации природоохранной технологии// Проблемы региональной экологии. 2012. №4. С. 181188.

5. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Исследование изменения напряженно-деформированного состояния крепи зумпфов на разных этапах эксплуатации и углубки вертикальных стволов// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №4. С. 37-41.

6. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Моделирование работы бетонной крепи реконструируемых вертикальных стволов// Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. №11. С. 110-114.

7. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. О состоянии вертикальных стволов угольных шахт Донбасса // Горный информационный аналитический бюллетень. 2014. - №1. С. 19-24.

Патенты

8. Пат. 2474693 Российская Федерация, МПК Е2Ю 5/04. Блочная крепь вертикального ствола / Страданченко С.Г., Голик В.И., Масленников С.А., Прокопов А.Ю., Ткачева К.Э.; патентообладатель ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»; заявл. 28.11.2011; опубл. 10.02.2013. Бюл. № 4.

Прочие издания

9. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Защита крепи воздухоподающих стволов от экстремальных температурных нагрузок// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. Донецк: Норд-пресс, вып. №13, 2007. С. 29-31.

10. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Совершенствование технологии проходки и крепления клетевого ствола подземного рудника «Айхал»// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. Донецк: Норд-пресс, вып. 15, 2009. С. 89-91.

11. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. Новый подход к проектированию глубоких вертикальных стволов// Современные проблемы шахтного и подземного строительства. Донецк: Норд-Пресс, 2009. Вып. 10-11. С. 291- 298.

12. Прокопова М.В., Михалко И.В., Ткачева К.Э. О категориях технического состояния вертикальных стволов и особенностях проектирования их реконструкции// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. Донецк: Норд-пресс, вып. 16, 2010. С. 90-92.

13. Прокопова М.В., Васьковцова Я.С., Ткачева К.Э. Моделирование работы конструкций с учетом этапности возведения// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып. 17, Донецк: «Норд-Пресс», 2011. С. 45-47.

14. Ткачева К.Э. Исследование напряженно-деформированного состояния бетонной крепи зумпфов вертикальных стволов методом последовательных загружений// Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: Сб. науч. тр. Донецк: Норд-пресс, вып. 18, 2012. С. 70 - 72.

15. Ткачева К.Э. Перспективы применения блочной крепи// Перспективи розвитку бущвельних технолопй: матер1али 7-ï м1жнародно"1 науково-практичноТ конференцп молодих учених, acnipatrriB i студенев, 18-19 квггня 2013 р. Д.: Нащональний прничий ушверситет, 2013. С. 104-106.

16. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В., Попков Ю.Н., Ткачева К.Э. Исследование влияния температурных нагрузок на крепь воздухоподающих стволов// Перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. / Шахтинский инт. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007. С. 133-138.

17. Ткачева К.Э. Возможности повышения качества крепления вертикальных стволов монолитным бетоном в секционных опалубках// Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов ВУЗов «Эврика-2007»/ Федеральное агентство по образованию, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск: Оникс+, 2007. С. 418 — 420.

18. Борщевский C.B., Прокопова М.В., Ткачева К.Э. О состоянии и возможностях реконструкции вертикальных стволов шахт Донбасса// Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса: материалы Ме-ждунар. науч.-практ. семинара. Новочеркасск: ЮРГТУ(НПИ), 2009. С. 97102.

19. Ткачева К.Э. Влияние агрессивных подземных вод на состояние бетонной крепи вертикальных стволов// Перспектива - 2012: материалы Меж-дунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. III. Нальчик: Каб.-Балк. ун-т, 2012. С. 188-191.

20. Прокопова М.В., Ткачева К.Э. О влиянии крепости горных пород на напряженно-деформированное состояние системы «крепь зумпфа — породный массив» при углубке вертикальных стволов// Строительство-2013: Современные проблемы промышленного и гражданского строительства: м-лы Между-нар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: Рост. гос. строит, ун-т, 2013. С. 100-102.

Изд. лиц. ЛР №020300 от 12.09.97. Подписано в печать 26.11.2013 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 130 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 92. Отпечатано в издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, пр. Ленина, 95.