Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Ресурсосберегающая технология крепления глубоких вертикальных стволов

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

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Сыркин, Сергей Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1. Современное состояние и основные направления совершенствования технологии крепления вертикальных стволов. Цель, задачи и методы исследований.

1.1. Анализ проходок вертикальных стволов в Восточном Донбассе.

1.2. Анализ исследований в области крепления вертикальных стволов.

1.3. Цель, задачи и методы исследований.

Выводы по главе 1.

2. Обоснование концепции ресурсосберегающей технологии крепления вертикальных стволов.

2.1. Исследования влияния типа и толщины крепи на технико-экономические показатели проходки стволов.

2.2. Исследование влияния класса бетона по прочности на толщину крепи.

2.3. Исследование влияния технологии доставки бетонной смеси по стволу на качество бетона.

2.4. Влияние технологической схемы проходки ствола на качество бетонной крепи.

2.5. Влияние буровзрывных работ на качество крепи.

Выводы по главе 2.

3. Геомеханическое обоснование параметров ресурсосберегающей технологии крепления вертикальных стволов.

3.1. Моделирование геомеханических процессов в окрестности ствола, пересекающего «слабый» слой вмещающих пород.

3.2. Моделирование геомеханических процессов в окрестности ствола при сооружении затампонированной зоны в пределах пересекаемого «слабого» слоя вмещающих пород.

3.3. Рекомендации по определению нагрузки на крепь ствола, пересекающего затампонированный «слабый» слой вмещающих пород.

3.4. Примеры расчетов, иллюстрирующие приведенные рекомендации.

Выводы по главе 3.

4. Технологическая схема проведения и крепления ствола по предложенной технологии. Технико-экономическая оценка и область применения.

Выводы по главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Ресурсосберегающая технология крепления глубоких вертикальных стволов"

Вертикальные стволы являются уникальными инженерными сооружениями по масштабу и сложности решаемых технических задач в период строительства и эксплуатации шахт. При строительстве и реконструкции горных предприятий выполняются значительные объемы строительно-монтажных работ на поверхности шахты и по проходке капитальных горных выработок. Наиболее сложными и трудоемкими являются работы по сооружению вертикальных стволов, на долю которых приходится 20 - 25 % стоимости и 30 - 50 % общей продолжительности строительства. В настоящее время глубина отработки запасов в Российском Донбассе перешагнула 1200м, в Кузбассе - 700м.

В период с 1985 по 1990 г. в бывшем СССР проходились до 20-25 км вертикальных стволов различного назначения для обеспечения достигнутого уровня добычи. В процессе их строительства извлекалось более 1 млн. м' породы, укладывалось до 250 тыс. м' бетона расходовалось до 50 тыс. тонн металла различного профиля. Поэтому представляется необходимым дальнейшее усовершенствование технологических схем проходки, обеспечивающих снижение расхода материалов, сокращение сроков и удешевление стоимости строительства вертикальных стволов.

В настоящее время наибольшее распространение получила монолитная бетонная крепь стволов, возводимая с помощью передвижных металлических опалубок сверху вниз из сравнительно низких классов бетона по прочности, преимущественно по совмещенной схеме проходки. Такая технология ведения работ в сочетании с транспортировкой бетонной смеси с поверхности по трубам обеспечивает высокий уровень механизации, на сравнительно невысокие средние темпы проходки, требует повышенного расхода материально-технических ресурсов и не всегда позволяет получить необходимое качество крепи.

Проведенный анализ показывает, что стоимость проходки стволов прямо пропорциональна толщине бетонной крепи и с ее увеличением на каждые 0,05 м возрастает на 5 - 7 %, при этом объем выемки породы увеличивается на 2 - 3 %, а расход бетона возрастает от 8 до 15 %. Если произвести замену бетонной крепи на железобетонную при одинаковых диаметрах ствола и толщиной крепи, то это приводит к увеличению стоимости и трудоемкости работ при проходке ствола до 30 %.

На основании вышеизложенного представляется актуальной разработка научно-обоснованных решений по ресурсосберегающей технологии крепления глубоких вертикальных стволов, имеющих особо важное значение.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР по проблеме «Рациональные методы и средства разработки и использования природных ресурсов, охраны труда и окружающей среды» - тема: «Разработать научно обоснованные параметры крепления и поддержания горных выработок и безопасности жизнедеятельности» - комплексная научно-техническая программа кафедры СПСиШ ШИЮРГТУ (до 2000 г.); научно-технической проблеме «Повышение эффективности технологии добычи переработки угля и сопутствующих энергоресурсов» (с 2001 по 2005 гг.).

Цель работы заключается в разработке ресурсосберегающей технологии крепления вертикальных стволов с использованием регулятивных конструктивных и технологических элементов, снижающих трудоемкость и стоимость их строительства.

Идея работы состоит в повышении технико-экономической эффективности технологии крепления вертикальных стволов посредством применения монолитной бетонной крепи переменного сопротивления с постоянной минимальной толщиной, которая на различных участках по глубине геологического разреза достигается: повышением механических характеристик бетона; использованием окружающего выработку породного массива в качестве несущей конструкции, путем применения упрочняющей анкерной крепи, тампонажа; разгрузки массива и других регулятивных конструктивных и технологических элементов. б

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий: системный анализ современного состояния и обобщение проектно-конструктивных и литературных источников, результатов исследований других авторов и производственных данных; лабораторные и натурные исследования; обработку массива данных, полученных в результате исследований с привлечением методов статистического анализа; математическое моделирование на базе теории сплошных сред; проектные разработки и технико-экономические расчеты. Для выполнения численных расчетов использованы современные ЭВМ и программное обеспечение.

Научные положения, разработанные лично автором, защищаемые в диссертации:

1. При спуске бетонной крепи в ствол по трубам с увеличением глубины средняя прочность образцов бетона на сжатие, отобранных в месте укладки смеси за опалубку, по сравнению со средней прочностью образцов, отобранных на поверхности в приемном лотке, снижается по гиперболической зависимости, а средний коэффициент вариации прочности возрастает по параболической зависимости.

2. Прочность образцов бетона на сжатие под воздействием пригруза на ранней стадии твердения снижается по гиперболической зависимости с ростом величины пригруза. Наиболее существенное влияние оказывает пригруз величиной более половины прочности контрольных образцов бетона на сжатие без пригруза на момент проведения испытания.

3. На незакрепленном участке ствола с переслаивающимися породами с различными прочностными показателями слоев в пределах породного контура, пересекающего «слабый» слой, радиальные смещения резко возрастают и в середине его достигают максимума, превышая фоновые радиальные смещения однородного массива. Смещаясь внутрь выработанного пространства «слабый» слой увлекает за собой перекрывающие и подстилающие его породы на некотором участке выше его кровли и ниже его почвы.

4. С увеличением радиуса затампонированной зоны «слабого» слоя уменьшаются максимальные смещения в его пределах, подчиняясь аппроксимирующей зависимости, ^шх - 1 = 1 +-Ч-----(!)

ДЯЛ„„ (r, ч1'96' ОДН

0,092 + 0,108 утлмп V R-ств J справедливой при RTa^/RcTB>l

5. При проходке ствола по неоднородным породам, вмещающим «слабые» слои, прочность крепи с минимальной технологической толщиной 0,25 м можно обеспечить в результате применения тампонажных работ, более высокопрочных бетонов с повышенными характеристиками, упрочняющей анкерной крепи или комбинации этих мероприятий.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: использованием классических методов механики сплошных сред, теории математической статистики, удовлетворительной сходимости результатов экспериментальных лабораторных и фактических данных, положительными результатами внедрения основных положений диссертационной работы на вертикальном стволе ш. «Обуховской-1», вертикального кабельного ствола на Бурейской ГЭС.

Научная новизна работы заключается:

I. В установлении зависимости стоимости и трудоемкости 1 м3 строительства ствола от толщины крепи, диаметра в свету, глубины и прочности пород.

И. В оценке влияния глубины спуска бетонной смеси в ствол по трубам на качество бетона.

III. В оценке влияния величины пригруза в раннем периоде твердения бетона на его качество.

IV. В геомеханическом обосновании параметров предложенной технологии крепления стволов.

V. В научном обосновании концепции ресурсосберегающей технологии крепления вертикальных стволов.

Научное значение диссертационной работы заключается: в научном обосновании ресурсосберегающей технологии крепления глубоких вертикальных стволов монолитной бетонной крепью переменного сопротивления с постоянной минимальной толщиной, принятой по технологическим критериям ее возведения, с достижением необходимой расчетной несущей способности за счет повышения механических характеристик бетона, использованием в качестве несущей конструкции вмещающих пород путем применения упрочняющего тампонажа и анкерной крепи, разгрузки массива и других регулятивных, конструктивных и технологических элементов.

Практическая значимость работы:

- разработана ресурсосберегающая технология крепления вертикальных стволов и методические основы определения ее основных параметров;

- разработана технологическая схема проведения и крепления ствола с использованием предложенной технологии, которая позволяет снизить сметную стоимость проведения и крепления ствола, сократить объем выемки породы, изменить расход бетона, повысить производительность труда и увеличить скорость проходки ствола.

Реализация выводов и рекомендаций работ:

Выводы и рекомендации используются проектными организациями ОАО «Ростовгипрошахт», ООО НТЦ «Наука и Практика», ГАО «Луганскгипрошахт», при строительстве вспомогательного ствола шахты «Обуховская-1» и вертикального кабельного ствола «Бурейской» ГЭС.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на технических советах ОАО «Донуголь», ОАО «Ростовуголь», ОАО «Ростовгипрошахт», ГОАО «Спецтампонажгеология», научно-производственных конференциях Южно-Российского государственного технического университета (г.Шахты, 1999-2002 г.), на научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 1999-2002гг.), на международной научно-практической конференции (г.Алчевск, 1999г.)

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 32 приложений, содержит 148 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 7 таблиц, список использованной литературы из 66 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Сыркин, Сергей Петрович

Диссертация представляет собой научно-исследовательскую работу, в которой предлагается новое решение актуальной научной задачи обоснования и определения основных параметров ресурсосберегающей технологии крепления вертикальных стволов.Основные научные и практические выводы, полз^юнные в результате исследований, заключаются в следующем: • на основании анализа зависимости стоимости и трудоемкости строительства 1 м^ ствола от толщины крепи, диаметра в свету, глубины и прочности пересекаемых пород установлено, что одним из главных факторов, влияющих на технико-экономические показатели, является толщина и конструкция крепи ствола; • при спуске бетонной смеси в ствол по трубам наблюдается снижение средней прочности бетона на сжатие и повышение среднего коэффициента вариации прочности, подчиняясь, соответственно гиперболической и параболической зависимости. Наиболее существенное снижение качества бетона наблюдается при глубине более 500 м; • прочность бетонной крепи вертикального ствола зависит от режима развития горного давления на ранней стадии твердения бетона. Наиболее существенное влияние оказывает пригруз величиной более 0,5 прочности контрольных образцов бетона на сжатие без пригруза; • на незакрепленном участке ствола с переслаивающимися породами с различными прочностными показателями слоев при пересечении «слабого» слоя радиальные смещения резко возрастают и в среднем достигают максимума, увлекая за собой внутрь ствола перекрывающие и подстилающие его породы на каждом участке выше его кровли и ниже его почвы; • при упрочняющем тампонаже «слабого» слоя с увеличением радиуса упрочнения радиальные смещения породного контура снижаются и приближаются к фоновым значениям; • при проходке ствола по неоднопородным породам, вмещающими слабые слои, расчетная прочность крепи с минимальной толщиной 0,25м может быть обеспечена упрочняющим тампонажем, применением более высокопрочных бетонов с повышенными характеристиками полз5Д1ести или их комбинацией.На основании изложенных выше положений разработана ресурсосберегающая технология крепления вертикальных стволов, предусматривающая применение монолитной бетонной крепи переменного сопротивления с постоянной минимальной толщиной, принятой по технологическим критериям ее возведения, с достижением необходимой расчетной несущей способности на различных участках геологического разреза повышением механических характеристик бетона, использованием окружающего выработку породного массива в качестве несущей конструкции путем применения упрочняющей анкерной крепи, тампонажа, разгрузки массива и других регулятивных констрз^тивных и технологических элементов.3. Применение предложенной технологии на примере строительства вспомогательного ствола ш. «Обуховская №1» ОАО «Донской уголь» позволило: • снизить сметную стоимость проведения и крепления ствола на 15%; • сократить объём выемки породы на 6,6%; • уменьшить расход бетона на 34,3%; • повысить производительность труда на 4,8%; • увеличить скорость проходки ствола на 33,3%;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Сыркин, Сергей Петрович, Новочеркасск

1. Косков И.Г., Прагер В. А., Будник В.В. Перспективы безремонтногоподдержанрм вертикальных стволов шахт // Уголь Украины. -1994. -№9. с.47-49.

2. Фесенко Г.Л., Козел A . M . , Адамский В.В. Оценка условий поддержанияшахтных стволов методом предельного равновесия // Шахтное строительство. -1983. -№2. -с .7-11.

3. Репко A . A . Особенности деформаций бетонной крепи вертикальных стволов//Шахтное строительство. -1987. -№1. - с . 15-16.

4. Манец И.Г., Снегирев Ю.Д., Паршинцев В.П., Техническое обслуживание иремонт шахтных стволов - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Недра, 1987. -327 с.

5. Снегирев Ю.Д., Вяльцев М.М. Долговечность крепи вертикальных стволовшахт. -М. : Недра. 1973. -160 с.

6. Миндели Э.О., Тюркян P.A. Сооружение и углубка вертикальных стволовшахт. М.: Недра, 1982. -312 с.

7. Булычев Н.С., Абрамсян Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. -М. : Недра,1978. 301 с.

8. Веселов Ю.А., Мамонтов Н.В., Третяченко А.Н. Углубка и ремонт шахтныхстволов. М: Недра, 1992. -272 с.

10. Булычев Н.С. Основные вопросы строительной механики вертикальныхстволов, сооруженных бурением и обычными способами: Автореф. .. дис. док. техн. наук: 05.313/ЛГИ., 1971. -56 с.

11. Крупенников Г.А. Горнотехнические принципы постановки аналитическихзадач механики горных пород / Проблемы механики горных пород. - АлмаАта, Наука, 1966. -с.226-237.

12. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982. -270 с.

13. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированныхспособов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра наук. Днепропетровск, 1999, -36с.

14. Докунин O.e., Косков И.Г., Друцко В.П.,Берштейн C A . Бетоны и растворыдля шахтного строительства. -Недра, 1989. -216 с.

15. Гончаров В.И., Шабартовский B.C. Монолитная крепь стволов шахт извысокопрочного шлакошелочного бетона // Шахтное строительство. -1987. №1. - с . 19-20.

16. Пиньковский г . с . Резервы повышения эффективности шахтногостроительства. -М.: Недра, 1981. -304 с.

17. Друцко В.П., Зинченко В.Я., Коган В.Г., Прагер В.А. Восстановление крепидействуюш;их стволов шахт без прекрап.;ения их эксплуатации. -М. : ЦНИЭИуголь, -1985. вып.Ц. -50 с.

18. Потураев В.Н., Булот А.Ф., Виноградов В.В. Геомеханические аспектыуправления состоянием горного массива вблизи выработок// Уголь Украины. 1988. -№5. -с.5-7.

19. Виноградов B .B . Геомеханика предельно напряженных горных пород (поматериалам открытия №1) Геотехническая механика, 1998. -№5. -с.28-32.

20. Новости зарубежной угольной промышленности: ЭИ// ЦНИЭИуголь. М.,1992. -вып. 1-2. -25 с.

21. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами ввертикальных стволах. -Харьков. ВНИИОМШС, 1990. -75 с

22. Dejen M.J.Р., Raffoux J.F., Pignet J.-P. Rock Bolting in France// Proc. Jnt. Sump,on Rock Boltng. -P . 269-284.

23. Celada Tamames B. Fourteen years of experience on rock bolting Spain// II Proc.Jnt. Symp on Rock Bolting. -1983. -P . 295-311.

24. Scott J.J. Roof Bolting- a Sophisticated Art/Coal. -1989. - № 8 . -P . 59-69.

25. Rock Mechanics Technology. Проспект PMT. -1997. -17 c.

26. Тюркян P.A. Научно-технические проблемы повышения эффективностисооружения вертикальных стволов// Уголь Украины. -1993. -№4. - с . 9-11.

27. Albers H.J., Gallhof V. , Jagsch D. New Ostrrechische Tunnelbauweise unterAbbauentwirkung. Gluckauf - 1982. № 16. s. 20-30.

28. Pochhasker Horst. Osterrechisehe Tunnelbauweise in sehr stark olruchatemGebirge. Theorie und Praxis. Porr-Nachr, 1974.- JSfo 57-58. s. 4-28.

29. Glaube C. White. Pat. 342781 (USA) Mine roof support system. Опубл. 18.02.69.

30. N A T M : а significant support approach // International Mining. - 1988. -5 -№ 12 p.9-12.

31. Селиванов A . C . Цой Б.Н. Выбор оптимальных параметров бетонной крепивертикальных стволов шахт: -Строительство предприятий угольной промышленности. Научн.-техн. реф. сб./ ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1981, №5, с.21-30.

32. Прагер В.А., Стеблина В.К., Баскакова Н.Ю. Исследование несущейспособности железобетонной тюбинговой крепи вертикальных стволов. - В сб.: Технология, механизация и экономика шахтного строительства. Харьков: ВНИИОМШС, 1990, с.40-51.

33. Кошелев К.В., Огнев Г.И., Файвшенко А.Г. Дифференцированный подход ккреплению стволов. -Строительство предприятий угольной промышленности, 1979, №4, с.7-9.

34. Ягодкин Ф.И. Основные направления снижения продолжительностистроительства вертикальных стволов шахт: Обзорная информация/ ЦНИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома СССР, -М., 1990, 59 с.

35. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Изд. 4-е доп.учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1978. -368с.

36. Иванов В.М. Калинина В.К. Математическая статистика. М.: Высшая школа,1981.-386с.

37. Устов А.И. Системный подход и общая теория систем.-М: Мысль, 1978.-272с.

38. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчетукрепи/ВНИИОМШС, ВНИМИ/-М.: Стройиздат, 1983.-272с.

39. Инструкция по приготовлению и применению бетонов и растворов для горныхработ угольных шахт. РД 12.13.055-87. Харьков: ВНИИОМШС, 1987. -104 с.

40. ГОСТ 10/81.0-81. Смеси бетонные.

41. Прагер В.А. Аналитические и опытно-экспериментальные исследованияработоспособности конструкций крепи вертикальных стволов. Тр.ВНИИОМШС, ВЫП.27. Харьков: ВНИИОМШС, 1979.

42. Прагер В.А. Проблемы обеспечения надежности крепи вертикальных стволовшахт, проходимых обьшным способом. - В сб.: Технология, техника и организация проведения капитальных горных выработок. Харьков: ВНИИОМШС, 1989, с.39-48. .

43. Рейзер В.Д. Методы теории надежности в задачах нормирования расчетныхпараметров строительных конструкций. -М.: Стройиздат, 1986.

44. Петренко Е.В., Свирский Ю.И., Цейтлин Г.М. Вероятностно-экологическийметод определения коэффициента запаса при расчете крепей горных выработок угольных шахт. -Шахтное строительство, 1979, №1.

45. Авиром Л.С. Надежность конструкций сборных зданий. Л.Стройиздат, 1971.

46. Голышев А.Б. и др. Проектирование железобетонных конструкций.Справочное пособие. Киев: Будивельник, 1985.

47. Еленси А., Сметана К. Использование геофизических методов для оценкитехнического состояния, а также устойчивости каменных крепей. - Przeglad до'гшсгу, 1989, №1.

48. Указания по определению параметров и конструкций крепи вертикальныхстволов и приствольных камер на больших глубинах в горно-геологических условиях Центрального и Стаханово-Первомайского районов Донбасса. Л.ВНИМИ, 1981, 72 с.

49. Андрошук Н.В. Совершенствование способов охраны повторно используемыхподготовительных выработок в зоне влияния очистных работ. -Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. -С.-Петербургский государственный горный институт, 1997.

50. СПиП 2.03.01-84. Бетонные и железобетонные конструкции. Госстрой СССР.М. Издательство стандарт, 1989.

51. ГОСТ 10180-90. Бетона. Методы определения прочности по контрольнымобразцам. Госстрой СССР. М. Издательство стандартов, 1990.

52. Ягодкин Ф.И. Новая технология крепления вертикальньгх стволов.Строительство предприятий угольной промышленности. Обзорная информация, М.: ЦНИИ Уголь, 1987, 45 с.

53. Стоев И.С. Технология сооружения вертикальных стволов // М.:ЦНИЭИуголь.-1979.-42С.

54. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика горных пород, М.: Недра, 1975.-360с.

55. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений иконструкций крепей. Учебник для вузов. -М., Недра.-1984.-145с.

56. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах. -М. ,Недра, 1989.-272С.

57. СНиП 11-94-80. Подземные выработки. Стройиздат, М., 1982.

58. Указания по рациональному расположению горных выработок на шахтахСССР. ВНИМИ, А., 1986.

59. Технология проходки вертикальных стволов. Унифицированные техническиерешения. 12-13-056. МУПСССР. -Донгипрошахтострой. Донецк, 1986.