Обоснование параметров безрасстрельной армировки верт и кальных стволов на основе вероятностной оценки временных нагрузок

На правах рукописи

Басакевич Сергей Владимирович

обоснование параметров безрасстрельной армировки
вертикальных стволов на основе вероятностной
оценки временных нагрузок

25.00.22 – «Геотехнология

(подземная, открытая, строительная)»

Автореферат диссертации на соискание

ученой степени кандидата

технических наук

Новочеркасск 2009

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное гражданское строительство и строительные материалы».

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Прокопов Альберт Юрьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки и техники РФ

Булычев Николай Спиридонович

кандидат технических наук,

Заслуженный строитель РФ

Шинкарь Игорь Георгиевич

Ведущая организация ГОУ ВПО «Московский государственный

горный университет», г. Москва

Защита состоится 22 декабря 2009 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107. тел.\факс :(863-52) 2-84-63, e-mail : [email protected].

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУ ВПО ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132)

Автореферат разослан «_____»_____________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колесниченко Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одним из самых масштабных подземных сооружений по объему, разнообразию и сложности решаемых в период строительства и эксплуатации задач является вертикальный ствол с армировкой, которая предназначена для обеспечения направленного безаварийного движения по стволу подъемных сосудов различной конструкции. Тип и конструкция армировки оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, сроков и стоимости его строительства, а также на величину затрат, связанных с проветриванием выработок.

В настоящее время глубина эксплуатируемых и строящихся шахтных стволов перешагнула отметку 1000 м и продолжает увеличиваться, при этом горно-геологические и гидрогеологические условия строительства существенно усложняются. Условия работы армировки стволов можно также охарактеризовать как весьма сложные. Конструкции испытывают комплекс постоянных и временных воздействий и нагрузок, увеличивающихся с глубиной ствола и обусловленных сложным процессом взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола».

В отечественной практике армирования вертикальных стволов наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка, конструктивными элементами которой являются расстрелы балочного типа и рельсовые или коробчатые проводники. Опыт ее эксплуатации показывает, что многорасстрельная армировка обладает значительной трудоемкостью и высокой стоимостью монтажа, высоким аэродинамическим сопротивлением.

Одним из главных направлений совершенствования жесткой армировки является замена балочных расстрелов консольными, консольно-распорными и блочными конструкциями (безрасстрельная армировка). Это позволяет исключить рассмотренные выше недостатки жесткой армировки, а также повысить ее несущую способность и создать предпосылки для более широкого применения технологии строительства стволов с одновременным армированием.

В настоящее время отечественными учеными и проектировщиками разработаны методические основы проектирования безрасстрельной армировки, создан альтернативный ряд сечений клетевых и скиповых стволов с консольными, консольно-распорными и блочными конструкциями. На базе этих разработок осуществлено внедрение безрасстрельной армировки при строительстве ряда вертикальных стволов. В то же время широкое внедрение безрасстрельной армировки сдерживается рядом неисследованных вопросов, касающихся особенностей взаимодействия армировки с подъемным сосудом и крепью ствола, нерешенной остается проблема крепления армировки анкерами с учетом необходимости компенсации фактических отклонений крепи от проектного положения. Это приводит к усложнению конструкции армировки и снижению ее технико-экономической эффективности.

Дальнейшее совершенствование расчета элементов безрасстрельной армировки и технологии ее монтажа является актуальной задачей шахтного строительства.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемую в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.) и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-2013 гг.).

Цель работы. Выбор и обоснование параметров безрасстрельной армировки и технологии ее монтажа в вертикальных стволах на основе вероятностной оценки временных нагрузок на конструкции, c учетом особенностей взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола».

Идея работы. Расчет параметров безрасстрельной армировки вертикальных стволов должен осуществляться на основании анализа взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола» при условии рассмотрения вероятных временных нагрузок на систему с учетом конструкций несущих ярусов и узлов их крепления, конструкции проводников, а также параметров крепи.

Методы исследования включают аналитические расчеты на основе положений и теорем теории вероятностей, численное моделирование системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола» методом конечных элементов, статистический и корреляционный анализ и технико-экономический анализ технологии монтажа армировки в процессе строительства ствола.

Защищаемые научные положения:

1. При взаимодействии движущихся подъемных сосудов с армировкой ствола, на последнюю передается ряд не учитываемых при проектировании временных динамических нагрузок (сила Кориолиса, аэродинамический удар в месте встречи подъемных сосудов, вращающий момент от кручения головного каната и вертикальная нагрузка от неточности положения проводников), величина и одновременность действия которых определяются на основе вероятностной оценки, учитывающей кинематику и тип подъема, глубину ствола, геометрические параметры и количество подъемных сосудов.

2. Величина напряжений в крепи ствола в зоне контакта с армировкой, вызванных динамическими воздействиями, передаваемыми движущимся подъемным сосудом, является функцией скорости подъема и при ее увеличении возрастает по параболической зависимости.

3. Применение комбинированного анкерного крепления консольно-распорной и блочной армировки, предусматривающего установку боковых распоров на опорных кронштейнах, а остальных элементов – на выдвинутых в ствол анкерах, позволяет производить радиальное регулирование армировки в пределах до 10 см без снижения жесткости конструкции.

Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

1. Получены аналитические расчетные зависимости для определения величин временных нагрузок на армировку

– от силы Кориолиса на различных по глубине участках ствола с нахождением координат границ наиболее опасного участка;

– аэродинамического удара в месте встречи сосудов на основе вероятностной оценки места встречи скипов при использовании в стволе одной или двух независимых подъемных установок;

– результирующего вращающего момента от кручения головных канатов при использовании одно- и многоканатных подъемных установок на основе вероятностной оценки возможных сочетаний направленности кручения каждого из головных канатов;

– вертикальной силы, вызванной отклонениями проводника, на основе статистического анализа результатов фактической профилировки проводников, с учетом доверительного интервала отклонений для заданной доверительной вероятности.

2. Установлена степенная корреляционная зависимость величины области контакта несущего элемента армировки с горизонтальными плитами кронштейна узла крепления от длины элемента с коэффициентом корреляции 0,9937.

3. Установлена зависимость коэффициента увеличения напряжений в крепи ствола при возникновении нагрузок со стороны армировки, от интенсивности подъема с коэффициентом корреляции 0,9976.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационных исследований обеспечивается использованием апробированных методов теории вероятностей и математической статистики; представительным объемом обработанных данных измерений отклонений проводников от проектного положения; высокими значениями коэффициентов корреляции, полученных автором зависимостей (0,9937 и 0,9976), инженерно-техническими проработками и проектными решениями; внедрением.

Научное значение работы заключается в обосновании параметров безрасстрельной армировки на основе вероятностной оценки временных нагрузок с учетом особенностей взаимодействия системы «подъемный – сосуд – армировка – крепь ствола».

Практическое значение работы заключается в совершенствовании методики проектирования и технологии монтажа ресурсосберегающей безрасстрельной армировки вертикальных стволов с комбинированным анкерным креплением.

Реализация работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Ростовшахтострой» при разработке рабочей документации по армированию вентиляционного ствола №1 шахты «Обуховская №1».

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах «Неделя горняка – 2006» и «Неделя горняка – 2007» (МГГУ, г. Москва, 2006 и 2007 гг.), международной конференции «Форум горняков – 2006» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина), на LI – LIII научных конференциях Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) «Перспективы развития Восточного Донбасса» (г. Шахты, 2006 – 2008 гг.), XII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2006 г), международной научной конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (АФ ВНУ им. Даля, г. Антрацит, Украина, 2006, 2007 гг.), международном научно-практическом семинаре «Перспективные технологии добычи и использования углей Донбасса» (ЮРГТУ(НПИ), г. Новочеркасск, 2009 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, содержит 144 страницы машинописного текста, 71 рисунок, 29 таблиц, список использованной литературы из 106 наименований.

Основное содержание работы

Исследование прочностных и деформационных характеристик крепи стволов и жесткой армировки, процессов взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка», разработка комплексной методики расчета и проектирования жесткой армировки, выполнены в работах И.В. Баклашова, Н.С. Булычева, Н.Г. Гаркуши, О.А. Зале­со­ва, А.А. Храмова, Ф.И. Ягодкина и др. Разработке и исследованиям безрасстрельных схем и конструкций армировки, посвящены работы Ю.Я. Власен­ко, И.Г. Горенцвейга, И.Б. Доржинке­вича, Е.Б. Петренко, А.Ю. Прокопова и др. Вопросы технологии монтажа и поддержания армировки, совершенствования ее конструкций нашли отражение в трудах И.Г. Манца, И.А. Марты­нен­ко, В.И. Нечаенко, С.Г. Страданченко, И.С. Стоева, П.С. Сыркина, И.Г. Шинкаря, Н.К. Шафранова и других ученых. Исследованию работоспособности элементов безрасстрельной армировки и узлов крепления армировки анкерами, разработке и испытанию новых конструкций армировки, способов крепления расстрелов и консолей посвящены работы И.В. Баронского, А.В. Будника, С.В. Борщевского, В.В Левита, Е.М. Мар­гулиса, Ю.Б. Пильча, Ф.И. Ягодкина и др.

В настоящее время при проектировании безрасстрельной армировки вертикальных стволов ее, как правило, рассматривают как отдельную конструкцию, без учета особенностей взаимодействия узлов крепления армировки с крепью ствола. Расчет параметров армировки производится на действие основных динамических нагрузок, возникающих вследствие горизонтальных колебаний сосуда, движущегося с постоянной скоростью по проводникам с периодически изменяющейся поперечной жесткостью. Остальные нагрузки считаются второстепенными и их величиной пренебрегают или учитывают некоторым коэффициентом запаса. Такой подход является формальным и может привести к ошибкам при определении параметров безрасстрельной армировки глубоких стволов, характеризующихся сложным взаимодействием системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола».

В диссертационных исследованиях А.Ю. Прокопова предлагается новый подход к проектированию жесткой армировки глубоких стволов, согласно которому эксплуатационные (лобовая и боковая) нагрузки на армировку рассчитываются по формулам, учитывающим действие ряда дополнительных факторов (силы Кориолиса, аэродинамический удар в месте встречи подъемных сосудов, нагрузку вследствие кручения подъемного каната; нагрузку вследствие одновременного влияния эксцентриситета загрузки и отклонения подъемного сосуда от вертикали и др.)

Предложенный подход, несмотря на определенные достоинства, связанные с появлением возможности учета целого ряда дополнительных факторов, действующих в системе «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола», обладает недостатком, заключающимся в допущении одновременного влияния на армировку всех вышеперечисленных факторов, при чем в варианте их наиболее неблагоприятного сочетания. Такая формализация при проектировании в ряде случаев приводит к чрезмерно завышенным коэффициентам запаса при подборе профилей расстрелов, проводников, узлов крепления и других параметров жесткой армировки, так как условно считается, что все дополнительные нагрузки возникнут на одном ярусе в один и тот же момент времени и при этом их векторы будут однонаправлены, т.е. нагрузки суммируются по модулю. Несмотря на то, что теоретически такое сложение нагрузок на одном ярусе возможно, вероятность возникновения такой ситуации на практике очень низка, поэтому предлагается усовершенствовать указанную методику на основе вероятностной оценки возможных сочетаний вышеуказанных нагрузок.

Для этого произведем оценку вероятности появления каждой из временных динамических нагрузок, а затем вероятность их одновременного возникновения на одном ярусе или участке движения подъемного сосуда.

Сила Кориолиса на разных участках ствола зависит от кинематики подъема, при этом наибольшее ее значение наблюдается в точке, соответствующей моменту окончания равноускоренного движения после набора груженым подъемным сосудом максимальной скорости своего движения. Данный момент времени от начала движения скипа определится формулой:

,

где – момент времени от начала движения груженого скипа, на который приходится максимальное значение силы Кориолиса, с;

– скорость груженого скипа при выходе из загрузочных кривых и максимальная скорость его движения соответственно, м/с;

a1, a2 – ускорение скипа при выходе из загрузочных кривых и ускорение скипа до набора максимальной скорости соответственно, м/с2.

Координата точки относительно начала движения груженого скипа, на которую приходится максимальное значение силы Кориолиса, определится из выражения

.

Проведенные исследования позволяют заключить, что учет влияния силы Кориолиса на армировку целесообразен только для среднего интервала ствола (hн, hв), по которому подъемный сосуд движется с максимальной скоростью. Границы этого интервала по глубине:

– нижняя ;

– верхняя ,

где Hп – полная высота подъема, м; – скорость груженого скипа при входе в разгрузочные кривые, м/с; a4, a3 – замедление скипа при входе в разгрузочные кривые и замедление скипа от максимальной скорости до соответственно, м/с2.

Для интервалов подъема и влиянием силы Кориолиса можно пренебречь.

Аэродинамический удар в месте встречи сосудов. В случае применения в стволе одной подъемной установки место встречи подъемных сосудов и соответственно аэродинамической ударной нагрузки на армировку ограничится коротким средним по глубине участком ствола. Найдем координаты возможной встречи подъемных сосудов и номера ярусов армировки, на которые придется аэродинамический удар.

Расчетная схема к определению этих координат приведена на рис. 1, из которого следует, что координата точки максимальной нагрузки на армировку вследствие аэродинамического удара в месте встречи подъемных сосудов определится из выражения

.

Эта координата будет соответствовать той точке, в которой точно совпадет положение скипов по глубине. Однако, учитывая высоту подъемных сосудов, которая для большегрузных скипов достигает 14 – 16 м и более, необходимо выделить не точку, а интервал их взаимодействия, который будет занимать в зависимости от шага армировки, несколько ее ярусов. Именно эти ярусы при проектировании армировки и будет необходимо рассчитывать на ударную аэродинамическую нагрузку.

Верхняя yв и нижняя координаты, ограничивающие интервал аэродинамического взаимодействия скипов, определятся по формулам

и .

Определим номера ярусов армировки n (считая вниз от нулевой рамы), которые должны рассчитываться на аэродинамические нагрузки. Номера этих ярусов должны удовлетворять условию

,

где – номера соответственно верхнего и нижнего ярусов, ограничивающих интервал (yв, yн),

; .

Общее количество ярусов Nяр, приходящихся на интервал аэродинамического взаимодействия скипов, будет зависеть от высоты скипов и шага армировки и определяться из соотношения . Количество ярусов армировки, подвергаемых аэродинамическому воздействию колеблется от 3 – 5 при использовании скипов малых типоразмеров (10-12 т) до 7 – 13 (в зависимости от шага армировки) – при большегрузных скипах (60 - 100 т).

В случае использования в одном стволе двух подъемных установок, работающих на загрузку, выдачу и разгрузку горной массы независимо друг от друга, место (участок) их встречи будет случайным, и может быть охарактеризован только с помощью понятий, теорем и аксиом теории вероятностей.

Вероятности нахождения скипа в конкретный момент времени на каждом из характерных участков движения равны:

– на загрузке (разгрузке) ;

– на выходе или на входе в разгрузочные кривые ;

– на участках ускоренного или замедленного движения ;

– на участке движения с максимальной скоростью .

Максимальное влияние на перераспределение вероятностей нахождения скипа на том или ином периоде цикла подъема оказывают (в порядке убывания значимости влияния):

– глубина подъема (в рассматриваемых пределах от 400 до 1200 м);

– вместимость скипа (в пределах от 5 до 60 м3);

– максимальная скорость (в пределах от 6 до 20 м/с).

Ускорение сосудов существенно не влияет, так как при его увеличении в глубоких стволах более чем в 3 раза, происходит небольшое изменение (в пределах 10%) вероятности нахождения скипа в ускоренном и равномерном периодах движения, вероятность же остальных периодов не изменяется.

С учетом вышеизложенного были построены номограммы (для различных максимальных скоростей подъема – 10, 12, 15 и 20 м/с), определяющие вероятности нахождения скипов на каждом из периодов подъема, при этом в качестве входных параметров номограмм приняты глубина подъема по стволам и вместимость скипов. Из номограмм, кроме искомых вероятностей, вытекают следующие рекомендуемые минимальные глубины подъема Нmin для соответствующих максимальных скоростей Vmax:

– для Vmax = 10 м/с – Нmin = 250 м;

– для Vmax = 12 м/с – Нmin = 350 м;

– для Vmax = 15 м/с – Нmin = 500 м;

– для Vmax = 20 м/с – Нmin = 900 м.

В зависимости от схемы армировки, количества и взаимного расположения подъемных установок возможны различные варианты аэродинамического взаимодействия скипов в стволе. В табл. 1 приведены возможные сочетания схем армировки с вариантами расположения подъемных сосудов, а также указаны формулы для определения координат максимального аэродинамического удара в местах возможной встречи сосудов и приведена вероятность возникновения лобовых и боковых нагрузок для каждого из сочетаний.

Таблица 1 – Координаты возникновения аэродинамического удара и его вероятность в лобовом и боковом направлениях при различном расположении скипов

Схема армировки		Координаты границ участка возникновения максимального аэродинамического удара1, м	Вероятность возникновения аэродинамического удара на участке с максимальной скоростью движения скипов
			в лобовом направлении	в боковом направлении
Для одной подъемной установки с двумя взаимосвязанными скипами
			1	0
		и	0	1
Для двух независимых подъемных установок
	Взаимодействие скипов 1-1 и 2-2 аналогично схеме А		1	0
	Взаимодействие каждой пары скипов 1-2		0	Определяется по номограммам в зависимости от глубины H, скорости Vmax и вместимости скипа Wc
	Взаимодействие скипов 1-1 и 2-2 аналогично схеме Б		0	1
	Взаимодействие каждой пары скипов 1-2		Определяется по номограммам в зависимости от глубины H, скорости Vmax и вместимости скипа Wc	0

Примечания. 1 – координата относительно нижней приемной площадки.

Номера скипов соответствуют номеру подъемной установки.

Двусторонними стрелками на сечениях стволов показаны возможные направления аэродинамических ударов при встрече подъемных сосудов.

Моменты, передаваемые от кручения подъемных канатов. Наибольшая нагрузка на армировку вследствие вращающего момента от кручения подъемного каната будет возникать на участке движения груженого скипа с ускорением. Координаты этого участка определятся по формулам:

– нижняя граница yн = hс;

– верхняя граница .

Вероятность того, что из n канатов многоканатной подъемной установки будут передавать при растягивании вращающий момент на подъемный сосуд по часовой стрелке k канатов, а против часовой стрелки соответственно
n – k канатов, по теореме умножения вероятностей независимых событий равна pkqn-k, где p и q – соответственно вероятности кручения канатов по и против часовой стрелки, в рассматриваемом случае p = q = 0,5.

Таких вариантов может быть столько, сколько можно составить сочетаний из n элементов по k элементов, т.е. . Так как рассматриваемые события (кручение каждого из канатов) независимы, то по теореме сложения вероятностей независимых событий искомая вероятность равна сумме вероятностей всех возможных событий. Поскольку же вероятности этих событий одинаковы, то искомая вероятность (появления k раз события А в n испытаниях) равна вероятности одного события, умноженной на их число, т.е. для рассматриваемого случая применима формула Бернулли

.

Исходя из рассчитанных вероятностей возможных сочетаний направленностей вращающих моментов канатов и значений результирующих моментов при каждом возможном сочетании, определим значение коэффициента результирующего момента ср для разного числа (от 1 до 8) подъемных канатов по формуле:

,

где n – количество канатов в многоканатной подъемной установке;

Mi – относительный результирующий вращающий момент, возникаемый при i-том сочетании направленностей кручения канатов (является безразмерной величиной и показывает какая доля вращающего момента передается на скип при данном сочетании. За единицу принимается момент, создаваемый при однонаправленном кручении всех канатов подъемной установки);

– вероятность появления i-го сочетания направленностей кручения n канатов.

Коэффициент результирующего момента при увеличении числа подъемных канатов от 1 до 8 изменяется от 1 до 0,273.

Вертикальная нагрузка на проводники вследствие отклонения подъемного сосуда от проектной траектории движения обусловлена неизбежными отклонениями элементов армировки от проектного положения. Фактически с увеличением продолжительности эксплуатации проводников средняя величина их отклонения от вертикали значительно увеличивается и в ряде случаев превышает нормативную.

В результате статистической обработки результатов 190 измерений были получены гистограммы распределения абсолютных отклонений проводников от вертикали (рис. 2, а) и отклонений проводников между смежными ярусами (рис. 2, б), показатели вариации по этим вариационным рядам представлены в табл. 2.

Абсолютное отклонение проводников от проектного положения, мм	Отклонение проводников между смежными ярусами, мм
а)	б)
Рис. 2. Гистограммы и теоретические кривые распределения: а – абсолютных отклонений проводников от проектного положения; б – отклонений проводников между смежными ярусами

Таблица 2 – Показатели вариации по вариационным рядам отклонений проводников

Показатель вариации	Значения показателя для вариационного ряда
	абсолютных отклонений проводников	отклонений проводников на смежных ярусах
Размах вариации, мм	75	22
Среднее арифметическое, мм	30,8	6,8
Дисперсия, мм2	330,6	15,9
Среднее квадратическое отклонение, мм	18,2	4,0
Коэффициент вариации	59,1	58,8

Обработка результатов профилировок армировки стволов Донбасса свидетельствует о том, что в 22 случаях из 190 замеров (11,6%) отклонения проводников на соседних ярусах превышали нормативную величину (10 мм), допускаемую на период длительной эксплуатации.

В связи с этим при расчете дополнительных вертикальных сил на проводники жесткой армировки необходимо учитывать фактическое, а не нормативное отклонение проводников от проектного положения, которое увеличивается со временем эксплуатации подъема. Исходя из вышеприведенных исследований, предлагается расчет возможного угла отклонения скипа от вертикали производить после профилировки проводников на основе их среднего фактического отклонения между смежными ярусами с учетом доверительного интервала для заданной доверительной вероятности.

С целью оценки степени влияния временных динамических нагрузок автором выполнено моделирование методом конечных элементов с использованием программного комплекса «Лира 9.0». В соответствии с геометрическими параметрами типовых сечений вертикальных стволов института «Южгипрошахт» разработан ряд объемных численных моделей участков стволов с безрасстрельной армировкой.

Для проведения расчетов была сформирована таблица расчетных сочетаний усилий, позволяющая исследовать комплексное влияние нагрузок на крепь и армировку. Все нагрузки были разделены на постоянные и кратковременные. К постоянным воздействиям отнесен собственный вес элементов армировки и нагрузка на крепь со стороны массива пород. В качестве кратковременных динамических нагрузок моделировалось воздействие на армировку и крепь движущегося подъемного сосуда.

На первом этапе моделирования, с целью оценки влияния исследованных дополнительных нагрузок на напряженно-деформированное состояние элементов системы, был произведен расчет моделей при двух вариантах таблицы расчетных сочетаний усилий. В первом случае армировка загружалась только нагрузками, определенными по действующей методике расчета армировки, а во втором также учитывалось действие дополнительных воздействий.

Анализ результатов показал, что учет дополнительных воздействий на армировку со стороны движущегося подъемного сосуда приводит к сокращению области применения армировки, которую в нормативных методиках принято оценивать максимально возможной для данной конструкции интенсивностью подъема I, Дж, равной произведению квадрата скорости движения подъемного сосуда на его массу. При консольной конструкции несущего элемента область применения уменьшается в 1,92 раз; консольно-распорной – в 1,21 раза; и блочной – в 1,16 раз.

Исследования также показали, что на область применения армировки значительное влияние оказывает конструкция узлов крепления, в связи с чем выполнено их исследование при различных схемах армировки и конструкциях узлов, а также параметрах монолитной бетонной крепи.

При выполнении моделирования рассмотрены две конструкции узлов крепления армировки: на анкерах, выдвинутых в ствол, и на опорных кронштейнах.

В соответствии с действующими требованиями конструкция узла крепления должна позволять производить регулирование положения несущего элемента в радиальной плоскости в пределах 10 см. В первом случае это обеспечивается путем варьирования расстояния от опорной плиты, приваренной к несущему элементу, до стенки ствола; во втором изменяется положение несущего элемента относительно опорного кронштейна, установленного вплотную к крепи ствола на анкерах.

Первоначально рассмотрена безрасстрельная армировка в консольном исполнении при первом варианте узла крепления. При поведении исследования изменялся отступ опорной плиты от стенки ствола в пределах t=0 - 11 см.

Анализ результатов расчетов показывает, что варьирование расстояния между опорной плитой и крепью ствола изменяет картину распределения напряжений в анкерах. При увеличении отступа с 5 до 11 см происходит рост напряжений в анкерах в среднем в 1,46 раза, и их интенсивность определяет область применения конструкции.

Также установлено, что при величине t =10 cм наблюдается снижение жесткости конструкции в месте крепления проводника до 14 - 19% в зависимости от ее геометрических размеров.

Аналогичные результаты получены при консольно-распорной и блочной конструкции яруса.

На основании выше сказанного, способ крепления безрасстрельной армировки на анкерах, выдвинутых в ствол, может быть рекомендован только при величине отступа опорных плит от стенок ствола менее 5 см, что является недостаточным для практики.

В результате анализа напряженно-деформированного состояния армировки при креплении на кронштейнах установлено, что для обеспечения эффективного регулирования армировки необходимо наличие определенной области контакта консоли с горизонтальными плитами кронштейна. Необходимая длина контакта, b, позволяющая не снизить несущую способность армировки и ее жесткость при максимальном отступе консоли от стенки ствола, определяется из полученной корреляционной зависимости вида

b/l = 0,124·l-0,724,

где l – длина несущего элемента. Коэффициент корреляции составляет 0,9937.

Соблюдение данного требования приводит к существенному увеличению металлоемкости узлов крепления.

В целом проведенное исследование консольно-распорных и блочных схем армировки показывает, что при действии комплекса нагрузок напряжения в узлах крепления распределяются неравномерно и область применения конструкции определяется интенсивностью напряжений в одном, наиболее нагруженном узле крепления.

В связи с этим выполнены расчеты моделей при комбинированном варианте крепления, предусматривающем установку менее загруженных узлов на анкерах, выдвинутых в ствол, а узлов с максимальной интенсивностью напряжений на опорных кронштейнах.

Полученные данные показали, что при максимальном отступе консолей и распоров от стенки ствола не происходит снижения области применения конструкции с комбинированным креплением при соблюдении требований к опорному кронштейну, изложенных выше.

На заключительном этапе моделирования выполнено исследование влияния кратковременных динамических воздействий, передаваемых армировкой, на монолитную бетонную крепь ствола.

Для оценки этого влияния был использован параметр Котн, представляющий отношение величины эквивалентных напряжений в бетонной крепи при одновременном действии постоянных нагрузок и нагрузок, передаваемых армировкой, к аналогичным величинам при действии только постоянных нагрузок.

Оценка прочности бетона крепи определялась в соответствии с теорией прочности Кулона-Мора.

На рис. 3 представлены значения параметра Котн в монолитной бетонной крепи ствола в точке крепления узла консольно-распорной армировки на глубине 500 м. Полученные данные аппроксимируются приведенной ниже зависимостью, с коэффициентом корреляции 0,9976

Kотн= 0,0276I2 + 0,2I + 0,7963

Аналогичные данные были получены при исследовании других конструкций армировки и варьировании физико-механических свойств крепи и пород, на основании анализа которых установлено, что величина напряжений в крепи ствола, вызванных влиянием армировки, является функцией интенсивности подъема и при ее увеличении возрастает по слабо выраженной параболической зависимости, близкой к линейной.

Рис. 3. Зависимость коэффициента Котн от интенсивности подъема

Также установлено, что наиболее опасными в бетоне крепи при влиянии армировки являются растягивающие напряжения, которые могут привести к срезу бетона и потере несущей способности узла крепления.

Исследования показали, что несущая способность узла анкерного крепления из условия недопущения среза бетона зависит от величины заделки анкера в крепь ствола и класса бетона. Для определения эффективной области применения анкерного крепления армировки получены графики зависимости максимальной выдергивающей силы, приходящейся на один анкер узла крепления, от величины заделки анкеров в крепь с различным классом бетона (рис. 4).

Полученные результаты позволили внести ряд изменений в действующую методику проектирования безрасстрельной армировки, в части определения комплекса динамических нагрузок на армировку, а также проектирования узлов крепления элементов армировки на анкерах, при консольной, консольно-распорной и блочной конструкциях несущего яруса.

С целью широкого внедрения безрасстрельной армировки с комбинированным креплением разработана технологическая карта армирования вертикального ствола, предусматривающая выполнение монтажа безрасстрельных элементов по единой технологии с использованием специального пространственного шаблона, обеспечивающего высокую точность монтажа и фиксирующих скоб для предварительного закрепления опорных кронштейнов к несущим элементам армировки.

Рис. 4. Область эффективной работы анкерной крепи различной длины при классе бетона крепи В15

Технико-экономическое сравнение разработанных схем армировки с комбинированным креплением с типовыми сечениями вертикальных стволов Южгипрошахта и безрасстрельными схемами армировки с креплением несущих элементов только на опорных кронштейнах показало, что внедрение комбинированного крепления позволяет:

1. По сравнению с типовыми схемами Южгипрошахта:

• снизить металлоемкость яруса в среднем на 32,06%;
• снизить стоимость монтажа яруса в среднем на 20,3%;
• снизить трудоемкость монтажа яруса в среднем на 3,02%.

2. По сравнению с консольно-распорными схемами армировки при креплении несущих элементов на опорных кронштейнах:

• снизить металлоемкость яруса в среднем на 7,97%;
• снизить стоимость монтажа яруса в среднем на 8,31%;
• снизить трудоемкость монтажа яруса в среднем на 11,73%.

Проверка эффективности безрасстрельной армировки произведена в вентиляционном стволе №1 шахты «Обуховская №1» ОАО «Ростовшахто­строй».

С целью повышения технико-экономической эффективности армировки был разработан новый вариант армирования ствола, позволивший снизить сметную стоимость работ на 1 млн. 465 тыс. руб., уменьшить материалоемкость армирования на 10,34% и металлоемкость несущего яруса армировки на 36,73%.

заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе вероятностной оценки временных нагрузок на конструкции армировки, в результате изучения особенностей взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка – крепь ствола» научно обоснованы параметры безрасстрельной армировки и разработана технология армирования с использованием комбинированной системы анкерного крепления консольно-распорной и блочной армировки, что имеет существенное значение для шахтного строительства.

Основные научные результаты работы заключаются в следующем:

1. Получены аналитические расчетные зависимости для определения величин временных нагрузок на армировку

– от силы Кориолиса на различных по глубине участках ствола с нахождением координат границ наиболее опасного участка;

– аэродинамического удара в месте встречи сосудов на основе вероятностной оценки места встречи скипов при использовании в стволе одной или двух независимых подъемных установок;

– результирующего вращающего момента от кручения головных канатов при использовании одно- и многоканатных подъемных установок на основе вероятностной оценки возможных сочетаний направленности кручения каждого из головных канатов;

– вертикальной силы, вызванной отклонениями проводника, на основе статистического анализа результатов фактической профилировки проводников, с учетом доверительного интервала отклонений для заданной доверительной вероятности.

2. Установлено, что учет временных динамических нагрузок на армировку со стороны движущегося подъемного сосуда приводит к уменьшению области применения безрасстрельной армировки, определяемой максимальной интенсивностью подъема в вертикальных стволах: при консольной конструкции несущего элемента область применения уменьшается в 1,92 раз; консольно-распорной – в 1,21 раза; и блочной – в 1,16 раз.

3. Определены особенности напряженно-деформированного состояния безрасстрельной армировки при различных узлах крепления и обоснована возможность применения комбинированного крепления безрасстрельной армировки, предусматривающего крепление наиболее нагруженного несущего узла на опорных кронштейнах, а остальных узлов на анкерах, выдвинутых в ствол.

4. Предложен ряд изменений в действующую методику проектирования безрасстрельной армировки в части определения нагрузок на армировку и прочностного расчета узлов крепления.

5. Разработана технологическая карта монтажа безрасстрельной армировки с комбинированным креплением, предусматривающая выполнение установки безрасстрельных элементов по единой технологии с использованием специального пространственного шаблона и фиксирующих скоб.

6. Произведена технико-экономическая оценка безрасстрельных схем армировки с комбинированным креплением и разработан новый вариант армирования вентиляционного ствола шахты «Обуховская №1», позволивший снизить сметную стоимость работ на 1 млн. 465 тыс. руб., уменьшить материалоемкость армирования на 10,34% и металлоемкость несущего яруса армировки на 36,73%.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Прокопов А.Ю., Басакевич С.В. Влияние интенсивности подъема на формирование дополнительной лобовой нагрузки на проводники, имеющие отклонение от вертикали // Изв. вузов. Сев.-кавк. регион. Техн. науки. – 2006. – Прил. №9. «Перспективы развития Восточного Донбасса» – С. 101 - 105.

2. Басакевич С.В. Проблемы крепления жесткой армировки к крепи вертикальных стволов // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. – С. 141 - 147.

3. Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Басакевич С.В. Исследование надежности узлов крепления безрасстрельной армировки в глубоких вертикальных стволах // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. / Донецкий нац. техн. ун-т. – Донецк: Норд-Пресс, вып. №12, 2006. – С. 29 - 31.

4. Прокопов А.Ю., Басакевич С.В., Богомазов А.А. О расчете дополнительной вертикальной нагрузки на проводники жесткой армировки при их отклонении от проектного положения. // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр. – Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. – С. 234 - 242.

5. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Басакевич С.В. О возможности применения анкер-инъекторных конструкций для крепления элементов армировки и упрочнения породного массива. // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: м-лы науч.-прак. конф. – Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, 2006. – С. 148 – 152.

6. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Басакевич С.В. Влияние отклонений проводников и продольной оси скипа от вертикали на формирование дополнительных лобовых нагрузок на армировку // М-лi міжнар. конф. «Форум гiрникiв-2006». – Днiпропетровськ: Нацiональний гiрничий унiверситет, 2006. – С. 184 – 190.

7. Саакян Р.О., Басакевич С.В. Особенности ведения работ по замене армировки вертикальных стволов с использованием ремонтопригодного узла крепления расстрелов// Геотехнологии и управление производством XXI века: м-лы междунар. науч. конф. – Донецк: ДонНТУ РИА, 2006. – С.155-160.

8. Прокопов А.Ю., Попков Ю.Н., Басакевич С.В. Сравнение эффективности различных конструкций анкерных узлов крепления безрасстрельной армировки // Проблемы горного дела и экологии горного производства: монография. – Донецк: Вебер (Донецкое отделение), 2007. – С. 100 – 104.

9. Басакевич С.В. Технология армирования вертикальных стволов с комбинированным креплением безрасстрельной армировки // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. – С. 115  – 121.

10. Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Басакевич С.В. Исследование работы участка крепления безрасстрельной армировки вертикального ствола при комплексном действии нагрузок // Изв. вузов. Сев.-кавк. регион. Техн. науки. – 2007. – №4. – C. 84 – 86.

11. Басакевич С.В. Исследование работы узлов крепления безрасстрельной армировки в вертикальных стволах // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2007. – №11. – C. 165 - 170.

12. Басакевич С.В. Расчет узлов комбинированного анкерного крепления жесткой армировки вертикальных стволов // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т (филиал) ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – С. 246 – 253.