Технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов шахт и технологических схем их строительства

Харченко, Дмитрий Игоревич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов шахт и технологических схем их строительства
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов шахт и технологических схем их строительства"

На правах рукописи

ХАРЧЕНКО ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ УСТЬЕВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ ШАХТ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ИХ СТРОИТЕЛЬСТВА

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543170

Екатеринбург-2013

005543170

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Научный руководитель - Половов Борис Дмитриевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Балек Александр Евгеньевич,

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геомеханики подземных сооружений Института горного дела УрО РАН

Смирнов Дмитрий Анатольевич,

кандидат технических наук,

ведущий инженер ООО «Уральский центр

промышленной безопасности», г. Еактеринбург

Ведущая организация - Общество с ограниченной ответственностью

"Уральский научно-исследовательский и проектный институт горно-металлургической промышленности", г. Екатеринбург

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.02, созданного на базе ФГБОУ «Уральский государственный горный университет», по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, (2-й учебный корпус, ауд. 2142).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат диссертации разослан «¿3» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ^ ' В. К. Багазеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Сооружение устьев вертикальных стволов по объему, затратам и продолжительности составляет относительно небольшую долю в общем комплексе работ по строительству шахт и рудников. Надежность устьев в стадиях строительства и эксплуатации во многом предопределяет завершение строительства стволов в запланированные сроки и бесперебойную работу при их эксплуатации. Между тем уровни аварийности при проходке устьев в отдельных регионах страны составляют до 20 % от общего количества строящихся стволов. К настоящему времени ситуация существенно не улучшилась, о чем свидетельствуют крупные аварии при строительстве устьев вертикальных стволов и выработок на уральских предприятиях. Локализация таких аварий, как правило, требует восстановления устья, что не всегда возможно. В результате места заложения стволов (ствола) переносятся и все горно-строительные работы выполняются заново. Таким образом, разработка комплекса мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и совершенствования технологических схем сооружения устьев с малыми уровнями риска остается актуальной проблемой.

Объект исследований - устья вертикальных стволов.

Предмет исследований - надежность конструкций устьев и технологических схем их строительства.

Основная идея работы - на основе технико-экономического анализа с привлечением исследований объекта в среде ЗО и имитационного моделирования разработать мероприятия по обеспечению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства.

Цель диссертации - технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов и технологических схем их строительства.

Основные задачи исследований:

1) выполнить анализ причин аварийности устьев вертикальных стволов;

2) установить особенности распределения вертикальных нагрузок на конструктивные элементы устьев;

3) оценить влияние полноты и качества контакта «крепь - грунтовый массив» на надежность конструкций устьев;

4) разработать методику оптимизации параметров конструкций устьев и конструкционных материалов, используемых при строительстве устьев;

5) разработать мероприятия, обеспечивающие высокие уровни надежности технологических схем строительства устьев последовательным и совмещенным способами;

6) сформировать критерий обоснования решений по строительству и эксплуатации устьев, реализующий уровни надежности (или риска) и отражающий затраты подрядчика на мероприятия по повышению надежности конструкций и научно-техническое сопровождение строительства.

Защищаемые научные положения.

1. Неравномерность распределения вертикальных нагрузок на конструкции устья, определяется коэффициентом распределения - функцией от внешних нагрузок, собственного веса конструкций и площади оснований ступеней воротника и опорных венцов.

2. Наиболее опасной по фактору аварийности является завершающая фаза строительства протяженного участка устья, причем уровень опасности зависит от качества контакта крепь - грунтовый массив, характеризуемого величиной удерживающих сил по внешней поверхности крепи.

3. Последовательный детерминированный и вероятностный методы расчета конструкций устья включают оптимизацию параметров конструкций и конструкционных материалов (в том числе размеров воротника и опорного венца в циклах по диаметрам и по углам наклона их оснований), определение «надежности» или «риска» по оптимизированным параметрам, корректируют эффективность мероприятий по повышению уровней надежности или снижения риска.

4. Высокие уровни надежности технологических схем строительства устьев вертикальных стволов последовательным и совмещенным способами в нормальных горно-геологических условиях и, с внедрением струйной цементации и разгружающих анкерных систем в сложных условиях, обеспечиваются мероприятиями, повышающими качество контакта «крепь - грунтовый массив» и снижающими весовые

нагрузки от конструкций устья с их безопасным перераспределением во вмещающем массиве.

Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается представительным объемом анализируемой информации по строительству и эксплуатации устьев, сходимостью полученных результатов исследований в части аварийности при строительстве устьев, результатами моделирования и технико-экономического анализа с использованием методов современной прикладной статистики, сопоставлением разработанных и практикуемых технологических решений.

Научная новизна результатов исследований состоит:

- в определении причин аварийности устьев;

- установлении неравномерности распределения вертикальных нагрузок на конструкции устьев, определяемых коэффициентом распределения - функцией от внешних нагрузок, собственного веса конструкций устьев и площадью оснований ступеней воротника и опорных венцов;

- количественной оценке влияния полноты и качества контакта «крепь - грунтовый массив» на надежность конструкций устьев;

- разработке методики многовариантного анализа, включающего детерминированную оптимизацию конструкций устьев и вероятностную оценку надежности оптимизированных конструкций и коррекцию эффективности мероприятий по повышению надежности.

Практическая значимость работы заключается:

- разработке совокупности мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства;

- формировании критерия обоснования технических решений по строительству и эксплуатации устьев;

- разработке моделей, алгоритмов, программ и методик, включенных в пакет «Геомеханическое обеспечение шахтного и подземного строительства».

Реализация результатов работы. Результаты диссертации направлены ИГД УрО РАН, ведущим проектным организациям г. Екатеринбурга Уралгипроруда, Уралгипрошахт, Унипромедь-инжиниринг - и уральским горным предприятиям: Гайский ГОК, Учалинский ГОК, Башкирский МСК.

Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач и проведении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций.

Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались: на Международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 23 - 24 апреля 2012 г. (Уральская горнопромышленная декада, г. Екатеринбург, 16-25 апреля 2012 г.); Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», г. Екатеринбург, 22 - 23 мая 2013 г.; семинарах кафедры шахтного строительств УГГУ, 2011, 2012, 2013 гг., г. Екатеринбург.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в шести печатных работах, в т. ч. в двух статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического указателя из 79 наименований, приложения. Объем работы: 203 страницы компьютерного текста, в т. ч. 12 таблиц, 96 рисунков, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Аналитический обзор изученности тематики диссертации

В., Калмыкова Е. П., Костина Э. В., Половова Б. Д., Стоева И. С., Сыркина П. С., Таирова Т. Н., Удовиченко В. М. и др.

Анализ выполненных исследований, проектных и опытно-конструкторских работ, практики сооружения устьев в целом показал высокий уровень технологических разработок по строительству устьев вертикальных стволов. Анализ аварийности устьев и практики строительства вертикальных выработок на Урале позволил систематизировать причины возникновения аварийных ситуаций:

1. Поскольку типичная глубина устьев (до 50 м) незначительна по сравнению с глубиной стволов, предприятия считают устье простым объектом и, как правило, самостоятельно выполняют проекты производства работ, утверждая их главным инженером предприятия. Высококвалифицированные специалисты не привлекаются, научно-техническое сопровождение в лучшем случае сводится к визуальному контролю объекта.

2. В проектах глубину устья принято устанавливать, руководствуясь глубиной расположения коренных пород, на которые опирается единственный опорный венец. Такое решение при мощности покровных отложений, представленных слабыми или обводненными грунтами, превышающей 10 - 15 м, является весьма рискованным.

3. Инженерно-геологические изыскания вмещающего грунтового массива проводятся формально без привлечения современных методов и оборудования полевой оценки характеристик грунтов и разделения массива на однородные инженерно-геологические и расчетно-геологические элементы. Не всегда устанавливаются необходимые инженерно-геологические характеристики, в первую очередь характеристики глинистых грунтов. Например, расчет горизонтального давления на крепь устья в переуплотненных глинах требует введения поправок, учитывающих коэффициент переуплотнения.

4. В покровных отложениях следует уточнять гидрогеологические параметры вмещающих фунтов, оценивая динамику водопритоков и влияние обводненности на механические характеристики грунтов.

5. Статистическая обработка исходной информации базируется на постулатах нормальности. Для малых выборок, объем которых устанавливается действующими нормативными документами, необходимо руководствоваться методами непараметрической статистики.

6. Используется детерминированный подход, вероятностные оценки не устанавливаются. Недостатки расчета устьев на вертикальные нагрузки: субъективный подход к распределению нагрузок на конструктивные компоненты устьев; не дифференцированы особенности работы устьев в стадиях строительства и эксплуатации; расчет протяженных участков устьев ведется без учета связи крепи с массивом; не предусмотрена оптимизация конструктивных и прочностных параметров крепи.

7. Расчет конструкций устья, гарантирующий безаварийность их строительства и эксплуатации, должен завершаться оценками надежности или риска.

8. Опыт строительства устьев через ослабленные, неустойчивые и обводненные грунты подтвердил, что за крепью возникают пустоты и происходит неконтролируемая осадка поверхности.

9. Проходка устьев последовательным способом с временной кольцевой металлической крепью и сплошной затяжкой в наносах мощностью более 10 - 15 м связана с риском потери устойчивости колец, образованием вывалов вплоть до воронки обрушения и не обеспечивает надежного контакта крепи с вмещающим грунтом.

10. Проходка совмещенным способом с призабойной опалубкой сопровождается формированием «холодных швов». Прочность бетона на разрыв в этих швах при традиционной технологии бетонирования незначительна, и колонна крепи ниже шва отрывается. Кроме того, водопроницаемость швов в 10 раз превышает водонепроницаемость бетонной крепи. Практикуемые скорости 3 — 4 м в сутки совмещенным способом без предварительной оценки уровней риска и потенциального ущерба не являются оправданными. «Разделка» опорных венцов не должна вызывать «подрезку» вмещающего грунтового массива.

2. Моделирование конструкций устьев вертикальных стволов

Конструкция устья определяется назначением ствола и формой его поперечного сечения; величиной вертикальных нагрузок, передаваемых на устье сооружениями, опирающимися на него; мощностью, условиями залегания и физико-механическими свойствами горных пород, в которых сооружаются устья стволов; размерами проемов для каналов; материалом крепи; способом сооружения и организации проходческих работ ствола и устья и др. Устье весьма сложный пространственный объект, размешенный и взаимодействующий с массивом горных пород, по-

этому для моделирования конструкций устья использовался метод конечных элементов (МКЭ).

Моделирование выполнялось по методике, разработанной автором на базе руководства ЗО РТ,АХ15. Моделировались четыре конструкции без внешней нагрузки от сооружений на поверхности (стадия «строительство устья») и с внешней нагрузкой (стадия «эксплуатация»): 1 - безворотниковое устье; 2 - одноступенчатое одно-венцовое устье; 3 - двухступенчатое одновенцовое устье; 4 - трехступенчатое одно-венцовое устье. На рис. 1 показаны полные смещения двухступенчатого одновенцо-вого устья с внешней нагрузкой, свидетельствующие о неравномерности распределения нагрузок на конструкции устья. Между тем основой широко практикуемой методики расчета Е. П. Калмыкова является положение по равномерному распределению на воротник и опорный венец в долях 0,5 Рсум, здесь Р^ - полная нагрузка от веса копра и собственного веса всех конструкций устья.

На рис. 2 приведены примеры моделирования состояния контакта «крепь - грунтовый массив» — (интерфейса в терминах РЬАХ1Б).

Рис. 1. Полные смещения двухступенчатого одновенцового устья с внешней нагрузкой

Рис. 2. Пример моделирования состояния контакта «крепь - грунтовый массив». Вторая фаза

Влияние состояния контакта определяется величиной удерживающих сил Уи по наружной поверхности протяженной части устья (СНиП 2.09.03-85) в соответствии с п. 3.22 (СНиП Н-94-80):

К„ = /л Д</7^(фг.6)/>ср, (1)

где / - показатель «интерфейса» от 0 до 1; Д, - внешний диаметр протяженного участка крепи устья; /зу - высота протяженного участка; срг.б - угол трения по контакту грунта с бетонной крепью; Рср - среднее горизонтальное давление на поверхность протяженной части крепи по СНиП 2.09.03-85.

Строительство устья рассматривается как поэтапный (по фазовый) процесс: 1 -я фаза - сооружение воротника; 2-я фаза - проходка протяженной части устья; 3-я фаза -сооружение опорного венца; 4-я фаза - передача нагрузок от копра.

При моделировании использовались значения интерфейса: 1,00; 0,75; 0,50; 0,25; 0,00. Граничные значения 1,00 и 0,00 означают 100 % связь крепи с грунтовым массивом и полное отсутствие связи; 0,75; 0,50, 0,25 - неполноту связи.

В целом результаты моделирования подтвердили влияние показателей интерфейса, в частности, вертикальные смещения 5/ составляют: I = 0,01, ¿оИ ЪосИ соНарз - обрушение фунта; /=0,25, 5,= 0,447 м; 7=0,50, 5/ = 0,424 м; 1= 0,75, 5/=0,412 м.

Вторая фаза наиболее опасна по уровню концентрации напряжений и вероятности возникновения аварийной ситуации. Третья фаза после возведения опорного венца концентрация напряжений снижается. Четвертая фаза - естественный скачок вертикальных смещений поверхности после приложения внешних нагрузок. Нулевой и близкий к нулю интерфейс - главная причина аварийности.

3. Разработка мероприятий по оптимизации и повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов

Основой для разработки мероприятий по оптимизации и повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов являются:

- действующая нормативная расчетная база, в соответствии с которой детерминированный расчет параметров устьев стволов производится раздельно на действие вертикальных и горизонтальных давлений (нагрузок) по соотношению:

Рр=№1 + <2У, (2)

где |i - коэффициент перегрузки; Р, — вертикальные нагрузки, передаваемые опорами горнотехнических сооружений, расположенных на поверхности; Qy — собственный вес крепи устья;

- информация о вмещающем массиве, получаемая методами непараметрической статистики и разработки УГГУ в области имитационного моделирования горнотехнических объектов;

— результаты исследований на моделях МКЭ, отражающих распределение нагрузок на элементы устья, состояние контактов «крепь-грунтовый массив».

Обоснование мероприятий по оптимизации и повышению надежности конструкций устьев включает два расчетных блока.

Блок детерминированных расчетов включает такие операции, как:

1. Определение собственного веса плоского одноступенчататого, конического одноступенчатого, двух- и трехступенчатых венцовых устьев.

2. Вычисление полной вертикальной нагрузки на устье (формула (2)) и центра ее приложения.

3. Вычисление коэффициента распределения полной нагрузки на воротник и опорный венец (нагрузка, воспринимаемая протяженным участком крепи не учитывается, что создает дополнительный запас при расчете параметров опорного венца):

«рн = (Л+Ш/(^Р + Ш> (3)

где Q3 - собственный вес воротника; Pt = пх Рр; и, = FB0 / (FBO + FBe), F^ F„e - площади оснований воротника и опорного венца.

4. Проверка условия прочности грунта под основанием воротника:

стг > тпу RT, (4)

где стг - напряжения в грунте, устанавливаемые с учетом эксцентриситета нагрузки на воротник: Рр = прн Рр\ ту - коэффициент безопасности по грунту; Rr - нормативное сопротивление грунта под воротником.

5. Оптимизация диаметра Dт и угла наклона аво основания воротника, проводимую в циклах Дю ± 0,01 (м), ао + 1 (град) с соответствующем изменением собственного веса конструкций и коэффициента ирн.

6. Оценку прочности крепи протяженного участка по условию:

ст^Ябег, (5)

где ак — напряжения в крепи; Ä6er- расчетное сопротивление бетона сжатию.

7. Коррекция параметров /?6ст и £)к.

8. Оценка прочности опорного венца на срез по условию:

СТср вс < Лбст ср, (6)

где Стер к - расчетная срезывающая нагрузка; R^ ^ — расчетное сопротивление бетона срезу Ябет ср = (0,05 -i- 0,20) Ä6eT, здесь 0,05 ^ 0,20 - значения коэффициента к определению расчетного сопротивления бетона на срез.

9. Коррекция параметров R^ ср и высоты опорного венца hr

10. Оценка грунта в основании опорного венца по условию (4).

11. Оптимизация диаметра £>м и угла наклона а„е основания воротника, устанавливаемых в циклах Д« + 0,01 (м), с^ + 1 (град) с соответствующим изменением собственного веса конструкций и коэффициента (1- нр„).

12. Оценка прочности крепи протяженного участка устья при последовательном и совмещенном способах проходки по условиям отрыва в наиболее опасном сечении:

СТтах<-^бетр; (7)

Qi<Ncyu, (8)

где Стщах - напряжения в наиболее опасном сечении крепи; R^ р - расчетное сопротивление бетона растяжению; Qs, - разрывная нагрузка; Ncум - несущая способность бетона и крючьев временной крепи.

13. Определение несущей способности арматуры железобетонной крепи с предельным коэффициентом армирования:

я„ = int (Qs / (0,25 7t А2 R ар) + 1, (9)

где иа - число стержней продольной арматуры; Q5 - разрывная нагрузка; £>а - диаметр арматурного стержня; - расчетное сопротивление арматуры растяжению.

14. Определение числа арматурных стержней по условию допустимого раскрытия трещин в железобетонной крепи по СНиП 2.03.01-84*:

Ярт < ^пред. (10)

где арт- вычисленная ширина раскрытия трещин, м: а11ред = 0,0002 м.

Детерминированный блок реализован на ЭВМ. Особенности программы -многовариантность (по факторам: тип устья, размеры конструкций устья; расчетное сопротивление материалов; способы проходки), формирование текстового файла по ходу выполнения программы, двойная схема ввода исходных данных - с клавиатуры и операторами присваивания. Последняя схема предпочтительнее, если рассматривается несколько вариантов оптимизации объекта.

Пример. Исходные данные: удельный вес бетона 2,3 кН/м3; расчетное сопротивление бетона сжатию / растяжению 8500 / 750 кПа; коэффициент условий работы бетона по СНиП 2.03.01-84* 0,614; коэффициенты к расчету раскрытия трещин в железобетоне по СНиП 2.03.01-84*: 1,1; 1,1; 1,4; предельно допустимое раскрытие трещин в железобетоне 0,0002 м; расчетное сопротивление стали растяжению 240000 кПа; диаметр крючьев временной крепи 0,03 м; общая длина одного крючья 1,4 м; вес кольца временной крепи 0,120 кН/м; удельный вес стали 78,5 кН/м3; вес затяжки 0,3 кН/м2; модуль упругости стали 2ДЕ+Ю кПа; диаметр арматурного стержня 0,025 м; сопротивление грунта сжатию под воротником 300 кПа; сопротивление грунта сжатию под опорным венцом 400 кПа; удельный вес грунта 18 кН/м3; угол внутреннего трения 20°; коэффициент перегрузки по СНиП П-94-80 1,4; коэффициент к расчетному сопротивлению бетона на срез 0,05; диаметр ствола в свету 6 м; внешний диаметр 7 м; диаметр воротника 10 м; диаметр опорного венца 9 м; высота протяженного участка устья 12 м; высота воротника 2 м; высота опорного венца 1,8 м; высота цилиндрического участка опорного венца 0,4 м; угол наклона основания воротника 0°; угол наклона основания опорного венца 25°; нагрузки, передаваемые опорами горнотехнических сооружений и их координаты: Р, кПа: 250 250 150 150; X, м: -2,75 2,75 -3,40 3,40; У, м: 2,50 2,50 -1,50 -1,50.

Полученные результаты: внешний диаметр крепи протяженного участка 7 м; внешний диаметр воротника 10,32 м; высота воротника 2 м; угол наклона основания воротника 0 ; высота протяженного участка устья 12 м; внешний диаметр опорного венца 9 м; высота опорного венца 1,8 м; высота цилиндрического участка опорного венца 0,4 м; угол наклона основания опорного венца 49°; полная нагрузка на устье

17620 кН; центр приложения вертикальной нагрузки 0,636 м; коэффициент распределения полной расчетной нагрузки на воротник и опорный венец 0,459; число ступеней воротника 1; число опорных венцов 1; сопротивление бетона сжатию 8500 кПа: сопротивление бетона растяжению 1600 кПа; число арматурных стержней с несущей способностью 9970 кН - 85; число арматурных стержней по условию предельного раскрытия трещин 137.

Вероятностный блок расчетов характеризует конструкции и схемы сооружения устьев критериями «надежность» или «риск». Эти критерии оцениваются методом Монте-Карло по программе, сформированной на основе алгоритма рассмотренного детерминированного блока. Объемы генераций от 104 до 105 + 106 случайных чисел обеспечиваются в среде Cloud computing сервером УГГА

В ситуациях недостаточной инженерно-геологической информации о вмещающих грунтовых массивах вероятностным расчетам предшествует детерминированная оптимизация по вариантам с запасами «по грунту» 1,25; 1,50; 1,75; 2,00 (табл. 1, строки 1 - 22). Постулируется нормальность распределения свойств грунтов с коэффициентами вариации 0,3 для механических характеристик и 0,15 для плотностных по ГОСТ 20522-96. Надежность N вычисляется независимо от характера распределения выходного массива случайных чисел объемом п по выражению IV = щ! п, здесь п\ - количество случайных чисел, превышающих единицу, а щ и п равны отношениям левых и правых частей условий (2) - (5).

Результаты расчетов надежности, полученные в вероятностном блоке, приведены в строках 19 - 22 табл. 1.

Следующий этап вероятностного анализа конструкций и схем сооружения устьев состоит в уточнении полученных результатов и выявлении мероприятий по повышению показателей надежности. Для первого варианта, приведенного в табл. 1, установлено:

— надежность основания воротника по условию (3) с увеличением внешнего диаметра возрастает с 0,866 до 0,948, в результате снижения веса на 40 % при диаметре 10 м составляет 0,955, снижения веса на 40 % и диаметре 11м- 1,000, упрочнении пород способом струйной цементации при асж = 2 МПа - 1,000;

Таблица 1

№ п.п. Наименование показателей Показатели с запасами Размерность

1,25 | 1,50 | 1,75 ] 2,00

1 Внешний диаметр крепи протяженного участка 7 м

2 Диаметр воротника 10,32 | 11,58 | 12,81 | 14,05 м

3 Высота воротника 2 м

4 Диаметр ствола в свету 6 м

5 Высота протяженного участка 12 м

6 Диаметр опорного венца 9 м

7 Высота опорного венца 1,8 м

8 Высота цилиндрической части опорного венца 0,4 м

9 Угол наклона основания опорного венца 49 50 52 53 град.

10 Полная расчетная вертикальная нагрузка на устье 17620 18630 19710 20920 кН/м2

11 Центр приложения полной расчетной вертикальной нагрузки 0,636 0,601 0,568 0,535 м

12 Коэффициент распределения полной расчетной нагрузки на воротник и опорный венец 0,459 0,549 0,617 0,671 -

13 Число ступеней воротника 1 —

14 Число опорных венцов 1 | 1 | 2 | 1 —

15 Сопротивление бетона по условию прочности крепи на сжатие 8500 кН/м2

16 Сопротивление бетона по условию прочности опорного венца на срез 85000,05 кН/м2

17 Сопротивление бетона по условию прочности крепи на растяжение 1600 кН/м2

18 Сопротивление бетона по условию прочности крепи на растяжение с учетом несущей способности крючьев временной крепи 1200 кН/м2

19 Надежность по условию прочности основания воротника 0,866 0,903 0,918 0,948 -

20 Надежность по условию прочности крепи сжатию 1,000 -

21 Надежность по условию прочности опорного венца срезу 0,170 0,237 0,304 0,407 -

22 Надежность по условию прочности основания опорного венца 0,627 0,679 0,754 0,799 -

- надежность опорного венца по условию среза (5) в результате повышения высоты опорного венца до 2,5 м для классов бетона:

класс бетона: В15 В20 В25 ВЗО надежность: 0,237 0,837 0,985 1,000 - надежность основания воротника с увеличением диаметра с 9 до 14 м увеличивается несущественно (см. табл.1), при устройстве двух опорных венцов диаметром 9 м достигает 0,948, двух венцов диаметром Юм- 1,000, при упрочнении грунта способом струйной цементации - 1,000.

Существенное влияние на надежность конструкций устья оказывает состояние контакта «крепь - грунтовый массив». В табл. 2 приведены результаты вероятностных расчетов, выполненные с учетом удерживающих сил FK - функции интерфейса 1, вычисленные по формуле (1).

Аналогичный комплекс имитационного моделирования протяженной части крепи устья на отрыв при проходке устьев различными способами показал возможность повышения надежности путем разгрузки колонны анкерными системами либо повышения качества ее связи с вмещающим массивом - контакта «крепь - грунтовый массив».

Таблица 2

Конструктивный элемент Интерфейс / удерживающие силы, кН

0,01/40 0,25/1050 0,50/2100 0,75/3150 1,00/4200

Основание воротника 1,914/1,000 1,902/1,000 1,880/1,000 1,843/1,000 1,794/1,000

Крепь на сжатие 2,106/1,000 2,210/1,000 2,325/1,000 2,454/1,000 2,508/1,000

Опорный венец на срез 0,838/0,162 0,912/0,274 0,998/0,459 1,116/0,681 1,254/0,859

Основание опорного венца 1,241/0,926 1,330/0,970 1,437/0,978 1,568/0,978 1,736/1,000

Крепь на разрыв 1,028/0,563 1,152/0,778 1,310/0,896 1,519/0,985 1,806/1,000

Армированная крепь на разрыв 1,018/0,504 1,139/0,785 1,293/0,956 1,495/0,985 1,515/1,000

Примечание. В числителе коэффициент запаса, вычисленный детерминированным путем, в знаменателе - надежность, установленная методом Монте-Карло.

Комплексный расчет устьев на горизонтальные нагрузки менее сложен, поскольку базируется на алгоритме, четко прописанном в СНиП П-94-80, выполняется в единой программе, коррекция ведется только по двум параметрам: толщина крепи, расчетное сопротивление бетона сжатию. Предусмотрен вероятностный анализ кре-

пи по Н. С. Булычеву в условиях неравнокомпонентиого поля горизонтальных напряжений.

Опасная ситуация может возникнуть при сооружении устьев или их участков в переуплотненных глинах. Состояние переуплотненных глин оценивается показателем OCR (коэффициент переуплотнения):

OCR = avmax/ CTv. (и)

где av max - максимальные напряжения, сформировавшиеся за весь период существования грунта; ov - напряжения от собственного веса грунта в настоящее время.

Боковая нагрузка (давление) на крепь Рт в переуплотненных глинах определяется по формуле

Pr = (l - sin ср) (СО?)"2, (12)

где (р - угол внутреннего трения грунта.

Переуплотненные глины характеризуются значениями OCR до 4 ^ 6, таким образом, горизонтальное давление на крепь может превысить вертикальное в 2 2,5 раза, что нельзя не учитывать.

4. Анализ и разработка элементов схем строительства устьев вертикальных стволов

Элементы технологических схем - конструкции, технологические операции, порядок выполнения операций, порядок приложения внешних нагрузок устья, способы воздействия на вмещающий массив и собственно технологические схемы -рассматриваются в контексте исследований надежности, освещенных в главах 2 и 3.

Воротник-, оптимизируется по числу ступеней, диаметру и высоте ступеней, углу наклона основания, классу бетона. Надежность воротника по этим параметрам устанавливается по условию прочности основания с учетом внешних и весовых нагрузок. Угол жесткости, определяемый высотой воротника и шириной уступов или углом наклона основания, при котором в теле воротника не возникают разрывающие напряжения, должен составлять не более 45

Мероприятия по повышению надежности - снижение собственного веса воротника за счет устройства полостей; искусственное увеличение прочностных свойств |

грунтов в основании.

Протяженная часть устья, оптимизируется толщина крепи, класс бетона, арматура. Надежность оценивается по трем условиям: прочность крепи на сжатие в уровне опорного венца, прочность на разрыв в уровне воротника (с учетом вертикальных нагрузок), прочность поперечного сечения колонны крепи на горизонталь-1

ное горное давление.

Наиболее существенные конструктивные мероприятия по обеспечению надежности протяженной части крепи сводятся к созданию эффективной связи крепи с грунтовым массивом на всем ее протяжении и снижению нагрузки от собственного веса колонны крепи. К доступным мероприятиям, не требующим привлечения специализированных шахтостроительных подразделений, дорогостоящих технологий и дефицитных ресурсов (что в условиях Уральского региона крайне важно для горнодобывающих предприятий), относятся:

- обеспечение полного контакта между временной крепью и вмещающим массивом. При последовательном способе строительства устья это достигается применением усиленных решетчатых затяжек и качественным бетонированием оставляемой временной крепи (или временной армонабрызгбетонной крепи с анкерами) на укороченных заходках, длина которых определяется по детерминированно-вероятностному комплексу, при совмещенном способе - установка комбинации из анкеров по металлической сетке (каркасу) с последующим нанесением набрызгбетона, установкой анкеров или бетонированием; армокаркаснабрызгбетона в сочетании с анкерами;

- устройство промежуточных диафрагм жесткости, выполняющих функции опорных венцов (локальная струйная цементация, анкерное упрочнение, инъекция

микродура); |

- струйная цементация вмещающего массива (результаты струйной цементации! хорошо прогнозируются, в частности, диаметр колонны фунта, упрочненной от одиночной скважины, составляет от 0,5 до 1,5 м). Для обработки массивов в зоне устьев вертикальных стволов могут использоваться два варианта: 1 - струйная однорядная цементация по периметру контакта «крепь-массив»; 2 - многорядная

струйная цементация вокруг крепи. В этом варианте струйная цементация помимо повышения связи «крепь-массив», во-первых, существенно улучшает прочностные характеристики грунтового массива (для глин с 7?сж = 0,2 0,3 МПа до Лсж = -5- 8 МПа), во-вторых, формирует эффективную противофильтрационную зону вокруг устья);

- разгружающие анкерные системы из фиберглассовых анкеров, анкеров «Титан» и «Атлант». Фиберглассовые анкера поставляются в бухтах длиной 100 м, обладают коррозионной стойкостью, имеют относительно небольшой вес, стоимость сравнима со стоимостью стальной арматуры. Механические характеристики анкера сечением 40 х5 мм: удельный вес 19 кН/м3; прочность на растяжение 1000 МПа; модуль упругости 40 гПа; предельная нагрузка 200 кН; предельная нагрузка анкера из трех фиберглассовых полос (рис. 4.9) составляет 600 кН, или 60 тс. Таким образом, чтобы «снять» весовую нагрузку 3000 кН от колонны крепи, достаточно пробурить 6 скважин и установить в них удерживающие трехполосные анкеру.

Самозабуривающиеся инъекционные анкера «Титан» состоят из оставляемой буровой головки трубчатых штанг длиной до 3 м, свинчиваемых муфтами с волновой резьбой. Изготовляются из мелкозернистой стали с повышенной ударной вязкостью или из легированной стали. Установка анкера заключается в бурении с промывкой, наращивании анкера последовательным свинчиванием анкерных штанг и нагнетании высококонсистентного цементного раствора. Прочность на растяжение для различных модификаций от 180 до 2750 кН.

Принципы работы анкеров «Атлант» и «Титан» аналогичны. Анкера «Атлант» сертифицированы в системе «Росстройсертификация». Выпускаются в соответствии с ТУ 5264-001-63317637 отрезками 1 - 2 - 3 м. Соединяются с помощью муфт. Предельная нагрузка на разрыв: диаметр 57 мм - 759 кН; 73 мм - 1692 кН. Модификация технологии «Атлант» - совмещение со струйной цементацией при давлении 20 МПа. Преимущество совмещенной технологии установки анкеров состоит в увеличении диаметра зоны из упрочняемых грунтов (приблизительно в 2 раза).

Опорные венцы: оптимизируются по числу венцов, их диаметру и высоте, углу наклона основания, классу бетона. Надежность опорного венца по этим параметрам устанавливается по условию прочности основания, прочности венца на срез с учетом внешних и весовых нагрузок.

Мероприятия по повышению надежности - упрочнение фунтов в основании венца, рациональная последовательность производства работ, исключающая подрезку неустойчивых грунтов.

Предлагаемые технологические схемы показаны на рис. 1,2, 3.

Особенности технологической схемы строительства устьев обычным последовательным способом: бескопровая схема строительства; воротник с разгружающими полостями; проходка от рамы-шаблона с металлической кольцевой, подвешенной на 2-образных крючьях и с усиленными решетчатыми затяжками или армо-набрызгбетонной с анкерами временными крепями; укороченные заходки, высота которых устанавливается как результат комплексного детерминированно-вероятностного анализа; постоянная крепь возводится снизу вверх; временная крепь является элементом постоянной крепи; при обнаружении признаков деформаций вмещающего массива или крепи устанавливаются дополнительные диафрагмы жесткости с использованием анкеров «Титан» или «Атлант», струйной цементации, инъекции микродура; высота протяженного участка устья определяется отметкой контакта коры выветривания и коренных пород; сооружение основного опорного венца в коренных породах; сооружение воротника в последней фазе строительства устья; обеспечение качества крепи - прочности и водонепроницаемости - за счет доставки бетонной смеси бетононасосами (АБН с распределительной стрелой до 47 м).

Особенности технологической схемы строительства устьев обычным совмещенным способом: бескопровая или копровая схема строительства; сооружение воротника; установка нулевой рамы; погрузка породы грейферами ручного вождения КС-3; установка постоянной крепи в ходе проходческого цикла; постоянная крепь: анкера «свеллекс» «сплит-сет», инъектируемые анкера и т. п. по усиленной металлической сетке, набрызгбетон, армонабрызгбетон или армокаркаснабрызгбетон в сочетании с анкерами; при обнаружении признаков деформаций вмещающего массива или крепи установка дополнительных диафрагм жесткости с использованием анкеров «Титан» или «Атлант», струйной цементации, инъекции микродура; высот протяженного участка устья: от воротника до коренных пород ниже контакта с породами коры выветривания; сооружение основного опорного венца в коренных породах; обеспечение качества крепи - прочности и водонепроницаемости - за счс

доставки бетонной смеси бетононасосами (АБН с распределительной стрелой до 47 м). При глубине забоя более 40 м - доставка бетонной смеси в контейнерах.

Особенности технологических схем строительства устьев в сложных условиях - применение специальных способов - струйной цементации и разгружающих анкерных систем.

Практика сооружения устьев вертикальных стволов в сложных условиях доказывает, что простейшие регулярные визуальные обследования вмещающего массива и возводимой крепи не всегда позволяют избежать серьезных осложнений. В этой связи мониторинг, проводимый с учетом материалов ЗБ исследований напряженно-деформированного состояния в ходе сооружения устья, является важным фактором в части обеспечения безопасности и безаварийности горнопроходческих работ.

Рекомендуемый состав мониторинга: оценка состояния и свойств массива горных пород на предпроектной стадии в полном объеме, позволяющем повысить достоверность проектирования устьев в сложных условиях; инструментальные измерения оседаний земной поверхности и воротника при строительстве устьев в увязке с пофазовым расчетом МКЭ процесса сооружения устья; обратный расчет состояния контакта крепи с массивом по комплексу «интерфейс - деформация»; анализ устойчивости обнажений, оценка качества бетона и набрызгбетона в крепи, испытание элементов удерживающих анкерных систем; проверка результатов упрочнения грунтов методом скважинной прессиометрии.

Оценка состояния и свойств массива горных пород на предпроектной стадии в буровых скважинах в породах коры выветривания, выполняемая прессиометрами типа «ПЭВ-89МК», «БоПехрейз», позволяет получить непосредственно в массиве следующую информацию: модули упругости и деформации; пределы пропорциональности, упругости, пластичности; угол внутреннего трения; сцепление. При этом дифференцируются линейно деформируемая, упругопластичная и пластичная среды, кроме того, появляется возможность для надежной коррекции инженерно-геологических (ИГЭ) и расчетно-геологических (РГЭ) элементов.

Новым и значимым компонентом научно-технического сопровождения строительства устьев вертикальных стволов является «обратный расчет^ состояния контакта крепи с массивом по комплексу "интерфейс - деформация"»: достоверная оценка состояния контакта исключает фактор внезапности возникновения аварийных си-

туаций и позволяет своевременно провести упреждающие противодеформационные мероприятия. Принцип обратного расчета состоит в сопоставлении инструментальных оценок смещений грунтового массива с пофазовыми результатами расчетов, полученных методом конечных элементов, причем каждая фаза количественно определяется высотой, равной уходке за проходческий цикл. Эффективность «обратного расчета» возрастает с увеличением глубины (деформации снижаются примерно на 5 мм при увеличении относительного показателя «интерфейс» на 0,25).

В качестве критериев выбора рациональных схем строительства устьев принят критерии «минимум суммарных дисконтированных затрат (СДЗ)» для подрядной строительной организаций, тип контракта - «С» контракт с возмещением издержек:

ta П 'же Я 'лс

СДЗ«о> = [ХА (1 - ßcX 1 + Е)4 - £ £ К„ (1+ ЕУ' - Е Е w„{ 1 + Е) ■*]( 1 - ас) min, i=0 *=I 1=0 l=\ t=u

где D, - договорная цена по контракту в периоды t за вычетом сумм НДС, выплаченных поставщикам за материально-технические ресурсы, стоимость которых относится на издержки производства и обращения (себестоимость строительно-монтажных работ); ßc — налог на добавленную стоимость от продажи продукции строительной организации; (1 + Еу4 - месячный коэффициент дисконтирования, отражающий время финансовых поступлений и внесения затрат; Кь - компоненты затрат строительной организации на строительство объекта и мероприятия, предусмотренные проектом; Wu - не предусмотренные проектом фактические издержки подрядчика в ходе строительства, вызванные авариями или их предупреждением; ас - налог на прибыль строительной организации; tD — время окончания выплат заказчиком по контракту; /лс - время завершения работ по локализации аварийных ситуаций либо завершения мероприятий по их предупреждению; q - индекс, определяющий количество рисков, сопровождающих строительство и эксплуатацию устья.

Рекомендуемые варианты для сопоставления: исходные и откорректированные по уровням надежности, предусматривающие струйную цементацию с поверхности, уменьшение весовых нагрузок на опорный венец и его основание поясами из анкеров глубиной 10 — 50 м, устройство диафрагм жесткости (локальная струйная цементация, анкерное упрочнение, инъекция микродура).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является завершенной научно-квалификационной работой, в которой дано новое решение научно-практической задачи технико-экономического обоснования мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов и технологических схем их строительства, имеющей существенное значение при строительстве шахт.

Основные результаты диссертации состоят в следующем.

1. Выполнен анализ причин аварийности устьев.

2. Установлена неравномерность распределения нагрузок на конструкции устьев, предложен количественный показатель неравномерности распределения нагрузок - функция от внешних нагрузок, собственного веса конструкций устьев и площади оснований ступеней воротника и опорных венцов.

3. Установлено влияние полноты и качества контакта «крепь - фунтовый массив» на надежность конструкций устьев.

4. Разработана методика комплексного многовариантного анализа, включающего детерминированную оптимизацию конструкций устьев и вероятностную оценку надежности (или риска) оптимизированных конструкций и коррекцию эффективности мероприятий по повышению надежности (снижению риска).

5. Разработан комплекс мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства, в т. ч. с армонабрызгбетонной и армокаркаснонабрызгбетонной анкерными крепями, диафрагмами жесткости, струйной цементацией, удерживающими анкерными системами.

6. Определен состав методов научно-технического сопровождения горностроительных работ, направленных на своевременное обнаружение опасных ситуаций и их оперативную локализацию.

7. Сформирован критерий обоснования технических решений по строительству и эксплуатации устьев, реализующий уровни надежности (или риска) и отражающий затраты подрядчика на мероприятия по повышению надежности конструкций, технологических схем и научно-техническое сопровождение строительства.

8. Разработаны модели, алгоритмы и профаммы детерминированных и вероятностных расчетов для проведения комплексного технико-экономического анализа

конструкций устьев и технологических схем их строительства. Алгоритмы и программы, методика моделирования устьев МКЭ включены в пакет: «Геомеханическое обоснование шахтного и подземного строительства».

9. Результаты выполненных исследований предназначены для реализации в организациях, ведущих проектирование и строительство вертикальных стволов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК:

1. Половов Б. Д., Харченко Д. И. Комплексный технико-экономический анализ конструкций и схем сооружения устьев стволов // Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 6. С. 51 -58.

2. Геомеханический анализ горнотехнических объектов. Точки роста/ Б. Д. Половов, М. Н. Волков, Д. В. Михайлов, Д. А. Романов, Токарев П. Л., Д. И. Харченко II Известия вузов. Горный журнал. 2013. № 7. С. 40 - 50.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

1. Половов Б. Д., Харченко Д. И., Михайлов Д. В. Комплексный расчет конструкций ступенчатых венцовых устьев вертикальных стволов // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды IV Международной конференции, г. Екатеринбург, 22 - 23 мая 2013 г. Екатеринбург: Изд-

во УГГУ, 2013. С. 187- 190.

2. Харченко Д. И. Выбор варианта крепления стен котлована подземного сооружения, возводимого открытым способом // Международная научно-практическая «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 23 - 24 апреля 2012 г. (Уральская горнопромышленная декада, г. Екатеринбург, 16-25 апреля 2012 г.): сборник докладов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 2012. С. 310 - 312.

3. Харченко Д. И. Методика расчета устойчивости устья вертикального ствола в среде Р1ах1з 31) // Проектирование, строительство и эксплуатации комплексов подземных сооружений: Труды IV Международной конференции, г. Екатеринбург, 22 -23 мая 2013 г. Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2013. С. 203 - 205.

4. Харченко Д. И. Технологические схемы сооружения вертикальных стволов // Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений: Труды IV Международной конференции, г. Екатеринбург, 22 - 23 мая 2013 г. Екатеринбург: Изд-во УТТУ, 2013. С. 206 - 208.

Подписано в печать 21.11.2013. Формат 60х841/16. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ ев.

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории множительной техники изд-ва ФГБОУ «Уральский государственный горный университет». 620144, г. Екатеринбург, ул-. Куйбышева, 30.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Харченко, Дмитрий Игоревич, Екатеринбург

04201453942

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

Харченко Дмитрий Игоревич

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 25.00.22 - «Геотехнология (подземная, открытая и

строительная)»

Научный руководитель -д-р техн. наук, профессор Половов Борис Дмитриевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ....................................................4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗУЧЕННОСТИ ТЕМАТИКИ ДИССЕРТАЦИИ ................................................................................................................................9

1.1. Конструкции устьев вертикальных стволов..................................9

1.2. Технологические схемы строительства устьев..........................11

1.3. Методы расчета конструкций устьев вертикальных стволов........................................................................................................................................................17

1.4. Причины возникновения аварий при проходке устьев вертикальных стволов....................................................................................................................21

1.5. Выводы по главе 1 ..................................................................................................24

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УСТЬЕВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ .... 21

2.1. Методика формирования конечно-элементных моделей устьев в системе PL AXIS 3D............'............................................................................21

2.1.1. Общие сведения..........................................................................................21

2.1.2. Геометрия..........................................................................................................30

2.1.3. Общие настройки......................................................................................31

2.1.4. Свойства материалов..............................................................................33

2.1.5. Рабочие плоскости....................................................................................37

2.1.6. Геологические колонки........................................................................38

2.1.7. Геометрическая модель устья..........................................................39

2.1.8. Построение двумерной сетки..........................................................43

2.1.9. Построение трехмерной сетки........................................................44

2.1.10. Расчеты............................................................................................................45

2.1.11. Просмотр полученных результатов........................................51

2.2. Моделирование конструкций устья......................................................54

2.3. Моделирование влияния интерфейса................................................60

2.4. Выводы по главе 2................................................................................................69

3. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОПТИМИЗАЦИИ И ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ УСТЬЕВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ........................................................................................................71

3.1. Вертикальное давление на устье............................................................71

3.1.1. Детерминированный анализ............................................................72

3.1.2. Вероятностный анализ..........................................................................96

3.2. Горизонтальное давление на устье......................................................116

3.3. Выводы по главе 3 ................................................................................................124

4. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМ СТРОИТЕЛЬСТВА УСТЬЕВ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ....................................129

4.1. Классификация способов строительства устьев........................129

4.2 Элементы технологических схем. Перспективные технологические схемы..............................................................................................................................133

Стр.

4.2.1. Конструктивные элементы................................................................133

4.2.2. Порядок выполнения горно-строительных работ .... 141

4.2.3. Перспективные технологические схемы..............................143

4.3. Научно-техническое сопровождение строительства............147

4.4. Критерии выбора рациональных схем строительства устьев............................................................................................................................................................151

4.5. Выводы по главе 4................................................................................................155

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................159

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ........................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................................................................169

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Сооружение устьев вертикальных стволов по объему, затратам и продолжительности составляет относительно небольшую долю в общем комплексе работ по строительству шахт и рудников. Надежность устьев в стадиях строительства и эксплуатации во многом предопределяет завершение строительства стволов в запланированные сроки и бесперебойную работу при их эксплуатации. Между тем уровни аварийности при проходке устьев в отдельных регионах страны составляют до 20 % от общего количества строящихся стволов. Пятнадцать процентов устьев после проходки по сведениям Е. П. Калмыкова пришли в аварийное состояние, что сопровождалось значительными затратами времени и средств. Эти показатели существенно ухудшаться, если из общего числа построенных устьев исключить проходки, выполненные в благоприятных горно-геологических условиях. К настоящему времени ситуация существенно не улучшалась, о чем свидетельствуют крупные аварии при строительстве устьев вертикальных стволов и выработок на Уральских предприятиях. Локализация таких аварий, как правило, требует восстановления устья, что не всегда осуществимо. В результате места заложения стволов (ствола) переносятся и все горно-строительные работы выполняются заново. Таким образом, разработка комплекса мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и совершенствования технологических схем сооружения устьев с малыми уровнями риска остается актуальной проблемой.

Объект исследований - устья вертикальных стволов.

Предмет исследований - надежность конструкций устьев и технологических схем их строительства.

Основная идея работы - на основе технико-экономического анализа с привлечением исследований объекта в среде ЗЭ и имитационного моде-

лирования разработать мероприятия по обеспечению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства.

Основные задачи исследований:

1) выполнить анализ причин аварийности устьев вертикальных стволов;

2) установить особенности распределения вертикальных нагрузок на конструктивные элементы устьев;

3) оценить влияние полноты и качества контакта «крепь - грунтовый массив» на надежность конструкций устьев;

Защищаемые научные положения.

4. Высокие уровни надежности технологических схем строительства устьев вертикальных стволов последовательным и совмещенным способами в нормальных горно-геологических условиях и с внедрением струйной цементации и разгружающих анкерных систем в сложных условиях обеспечиваются совокупностью мероприятий, повышающих полноту и качество контакта «крепь - грунтовый массив», а также снижающих весовые нагрузки от конструкций устья с их безопасным перераспределением во вмещающем массиве.

Научная новизна результатов исследований состоит:

- в определении причин аварийности при строительстве и эксплуатации устьев;

- установлении неравномерности распределения вертикальных нагрузок на конструкции устьев, определяемых коэффициентом распределения

- функцией от внешних нагрузок, собственного веса конструкций устьев и площадью оснований ступеней воротника и опорных венцов;

- разработке методики комплексного многовариантного анализа, включающего детерминированную оптимизацию конструкций устьев и вероятностную оценку надежности оптимизированных конструкций и коррекцию эффективности мероприятий по повышению надежности.

Практическая значимость работы заключается:

- формировании критерия обоснования технических решений по строительству и эксплуатации устьев;

Реализация результатов работы. Результаты диссертации направлены ИГД УрО РАН, ведущим проектным организация Екатеринбурга Урал-гипроруда, Уралгипрошахт, Унипромедь-инженеринг и уральским горным предприятиям: Гайский ГОК, Учалинский ГОК, Башкирский МСК.

Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались: на международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 23 - 24 апреля 2012 г. (Уральская горнопромышленная декада, г. Екатеринбург, 16-25 апреля 2012 г.); международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатации комплексов подземных сооружений», г. Екатеринбург, 22 -23 мая 2013 г. Екатеринбург; семинарах кафедры шахтного строительств УГГУ 2011, 2012, 2013 гг., г. Екатеринбург.

Публикации. Содержание диссертации опубликовано в шести печатных работах, в т. ч. в двух статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список из 79 наименований, 1 приложение. Объем работы: 203 страницы компьютерного текста, в т. ч. 12 таблиц, 96 рисунков, 1 приложение.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗУЧЕННОСТИ ТЕМАТИКИ ДИССЕРТАЦИИ

Существенный вклад в решение проблем совершенствования конструкций устьев вертикальных стволов и разработку технологических схем их строительства внесен научно-исследовательскими, проектными, производственными организациями СССР и Российской Федерации, вузами: ВНИМИ, ВНИИОМШС, Донецкий ПромстройНИИпроект, Кривбасспро-ект, Кузбассшахтопроходка, КузГТУ, КузНИИшахтострой, МГГУ, Ро-стовшахтострой, СПГГУ, ТулГУ, УГГУ, Укршахтострой, Центрогипро-шахт, ЦНИИпромзданий Госстроя СССР, ЦНИИподземмаш, Шахтспец-строй, ЮРГТУ и др. Важные вопросы проектирования и производства работ по строительству устьев рассмотрены в работах Абрамсона X. И., Ас-кинази В. 3., Бабичева Н. С., Березанцева В. Г., Булычева И. Н., Булычева Н. С., Дмитриенко Т. В., Калмыкова Е. П., Костина Э. В., Половова Б. Д., Стоева И. С., Сыркина П. С., Таирова Т. Н., Удовиченко В. М. и др. [1, 3, 12, 23, 25, 46, 58, 65, 67, 69 - 72, 78]. Анализ выполненных исследований, проектных и опытно-конструкторских работ, практики сооружения устьев проведен по направлениям: конструкции устьев; технологические схемы строительства; методы расчета; причины аварийности.

1.1. Конструкции устьев вертикальных стволов

Тип устья и параметры конструкций определяются геологическими и инженерно-геологическими условиями вмещающего массива горных по-

род (грунтов*), назначением вертикального ствола, видом шахтного копра и надшахтных сооружений, расположенных в зоне ствола, величиной вертикальных и ветровых нагрузок на устье, видом и материалом крепи, способом проходки ствола (обычным или специальным) и схемами организации горнопроходческих работ. Выделяются четыре типа конструкций устья [12, 23], рис. 1.1:

- ступенчатые;

- специальные;

- венцовые;

- ступенчатовенцовые.

.Л 3 » ■0

а.

. в ■ 'О

•.« * 0'. в*

о 1 а; к.

У > в

9 л

)

\ , ... 4 —* г

11 :».*••■• » • О' .*

-о 'о'.'*. •

!• о • * • • V

|.*0 • "

• о • "¿1

1? © • 1

о>1

•.

» * •

в 1 £

' О ' В°1

.р'я.1

_ ¿3 р о

Рис. 1.1. Конструкции устья:

а - ступенчатые; б - специальные; в - венцовые; г - ступенчатовенцовые

* Грунт - горная порода в зоне, близкой к земной поверхности, почвы и технические образования, представляющие собой системы, являющиеся объектом человеческой деятельности.

Область (по Н. С. Булычеву и X. И. Абрамсону) применения конструкций, приведенных на рис. 1.1, указывается в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Конструкция устья Область применения

Одно- или двухступенчатое с плоским или коническим основаниями Небольшие вертикальные нагрузки, плотные грунты, отсутствие каналов в устье, глубина до 5 м, диаметр в свету 6 м

Трехступенчатое с плоскими или коническими основаниями Средние и значительные вертикальные нагрузки, слабые грунты, отсутствие каналов в устье, глубина до 6 м, диаметр 6 м

Одно- или двухвенцовое с одно- или двухконическими венцами Наличие в устье каналов, наличие слоев различной прочности

Одно- или двухступенчато-венцовое с плоскими или коническими основаниями и одно или двухконическими венцами Опирание на устье горнотехнических сооружений, наличие в устье каналов, слабые породы

Устье увеличенного диаметра с галереями Сооружение стволов специальными способами

Коническое (воронкообразное) Опирание на устье башенного копра или надшахтного здания

Область применения конструкций, определяемую по табл. 1.1, следует рассматривать как предварительное решение, подлежащее обязательному уточнению расчетным путем. Эффективный путь обоснования решений -формирование технико-экономических моделей и последующая оптимизация с использованием ресурсов ЭВМ.

1.2. Технологические схемы строительства устьев

Главный фактор, определяющий особенности технологических схем строительства устьев вертикальных стволов - устойчивость вмещающих грунтовых массивов.

В относительно устойчивых породах применяются технологические способы строительства устьев, называемые обычными.

На рис. 1.2, показана бескопровая последовательная схема. Бескопровая проходка выполняется с применением автокранов АК-3 и специализированных установок П-1, НПУ, КПШ, ППУ и др. Выемку грунта с временным креплением стен ствола производят на всю глубину устья или заход-ками, с последующим возведением постоянной крепи из монолитного бетона снизу вверх. Постоянная крепь выполняется из металлических колец, подвешиваемых на крючьях, с затяжкой стен из дерева. Последняя при использовании временной крепи, как элемента постоянной, не может гарантировать надежного контакта крепи с грунтом. При пересечении неустойчивых участков их крепят чугунными и железобетонными тюбингами.

Рис. 1.2. Проходка устья ствола по бескопровой последовательной схеме с использованием проходческого крана ПК-1:

1 - рама; 2 - подъемная лебедка; 3 - стрела; 4 - канат; 5 - разгрузочный станок; 6 -грейфер; 7 - автомашина; 8 - забойный насос

Бескопровые технологические схемы строительства совмещенным способом, обеспечивающие более высокие темпы пр

Информация о работе

Харченко, Дмитрий Игоревич
кандидата технических наук
Екатеринбург, 2013
ВАК 25.00.22

Диссертация

Технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов шахт и технологических схем их строительства - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы