Размещено на http://allbest.ru

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обоснование технологических и конструктивных решений по армированию глубоких вертикальных стволов

Специальность:

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

Прокопов Альберт Юрьевич

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 консультант: доктор технических наук, профессор Ягодкин Феликс Игнатьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Булычев Николай Спиридонович

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Голик Владимир Иванович

Ведущая организация: ФГУП «ВНИПИПромтехнологии» г. Москва

Защита состоится 27 февраля 2009 г. в 10⁰⁰ 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 : ngtu@novoch.ru.

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

Автореферат разослан «_____»_____________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Колесниченко Евгений Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. «Энергетической стратегией Российской Федерации до 2020 г.» предусмотрен рост добычи угля до 430 млн. т в год. Это невозможно без строительства новых и реконструкции действующих угольных шахт. Введение в эксплуатацию новых производственных мощностей связано с увеличением глубины разработки и ухудшением горно-геологических условий, что в свою очередь сказывается на технологии сооружения, способах поддержания вертикальных стволов, а также степени воздействия неблагоприятных факторов на крепь и жесткую армировку.

Армировка оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, его стоимости, сроков строительства, а также на производительность, надежность и экономичность работы подъемных установок. Еще большую актуальность приобретает задача выбора рациональных схем и конструкций армировки стволов, пройденных в сложных горно- и гидрогеологических условиях и до больших глубин. В этом случае крепь и армировка воспринимают значительные и изменяющиеся во времени климатические, физико-химические воздействия, а также нагрузки со стороны породного массива, что должно учитываться как при проектировании строительства, так и при эксплуатации ствола.

При увеличении глубины разработки для сохранения и повышения производственной мощности шахты необходимо увеличивать интенсивность подъема, т.е. повышать скорость движения и грузоподъемность скипов. В настоящее время в России эксплуатируются подъемы со скоростью движения скипов до 12-14 м/с и концевой нагрузкой до 60 т. Специалистами прогнозируется рост скоростей до 20 м/с и масс груженых скипов до 100 т, при этом интенсивность подъема увеличится до 40 МДж, т.е. в 3,5 - 4,5 раза. Это приведет к существенному увеличению как основных, так и ряда дополнительных нагрузок на жесткую армировку, что потребует новых подходов в принятии конструктивных и технологических решений по армированию стволов.

Проведенный анализ состояния вертикальных стволов шахт Российского и Украинского Донбасса свидетельствует о том, что более 70% глубоких стволов, эксплуатируемых в сложных горно- и гидрогеологических условиях, имеют существенные нарушения крепи и жесткой армировки.

При эксплуатации высокоинтенсивных подъемов в сложных условиях и на больших глубинах затраты на ремонт и замену жесткой армировки составляют 30-40% от стоимости сооружения ствола (без учета потерь от снижения производственной мощности шахты в этот период). Поэтому одним из направлений снижения затрат на строительство и эксплуатацию глубоких шахтных стволов является применение усовершенствованных конструкций или принципиально новых технических решений по армированию, принимаемых с учетом ряда дополнительных нагрузок и воздействий. Это позволит выбирать рациональные схемы армировки; предусматривать конструкции, максимально адаптированные к конкретным условиям эксплуатации и обеспечивающие при необходимости податливость или регулируемость положения расстрелов, антикоррозийную защиту армировки, защиту от экстремальных температурных нагрузок (сезонных перепадов температур); учитывать прогнозируемые технологические отклонения крепи от проектного положения, увеличивающиеся с глубиной, и др.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен совершенствованию методики расчета и конструирования жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с высокой интенсивностью подъема путем комплексного учета основных и дополнительных нагрузок и воздействий в системе «подъемный сосуд - армировка - ствол».

Диссертационная работа подготовлена на основе обобщения результатов исследований, выполненных в рамках госбюджетной научно-исследовательской работы ГР 0120105855 по теме П 53-801 «Разработать средства и способы крепления и охраны горных выработок и обеспечения безопасности труда на горных и строящихся предприятиях», фундаментальной НИР №17.05 по Единому заказ-наряду Федерального агентства по образованию «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», НИР по хоз. договору №89 «Определение параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки ствола «Северо-Восточный» ОАО «Дарасунский рудник» (с НТЦ «Наука и практика»), НИР по хоз. договору «Исследование нагрузок на жесткую армировку скипового ствола рудника «Узельгинский» ОАО «Учалинский ГОК» (с НТЦ «Наука и практика»), НИР «Исследование коррозионных процессов в элементах армировки шахтных стволов», выполненной на основании договоров о международном сотрудничестве между Шахтинским институтом ЮРГТУ(НПИ), Национальным горным университетом (г. Днепропетровск, Украина) и Донецким национальным техническим университетом (г. Донецк, Украина).

Целью работы является обоснование конструктивных и технологических решений по армированию глубоких вертикальных стволов, обеспечивающих снижение затрат при их сооружении и эксплуатации, на основе выявленных закономерностей функционирования системы «подъемный сосуд - армировка - ствол».

Идея работы заключается в комплексном учете особенностей функционирования системы «подъемный сосуд - армировка - ствол» на больших глубинах и при высокой интенсивности подъема для минимизации отрицательных воздействий внешней среды и нагрузок на жесткую армировку посредством рационализации конструктивных и технологических решений по армированию стволов на стадиях проектирования и сооружения.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ современного состояния вопросов проектирования и эксплуатации армировки вертикальных стволов, натурные наблюдения за состоянием крепи и армировки и сезонными изменениями климатических параметров шахтных стволов, экспериментальные исследования скорости коррозии в элементах армировки методом ускоренных коррозионных испытаний, статистический анализ, математическое моделирование напряжённо-деформированного состояния армировки с использованием современных программно-вычислительных комплексов, методы теоретической механики и физики, технико-экономический анализ, опытно-промышленную проверку результатов исследований.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Конструктивные и технологические параметры жесткой армировки глубоких вертикальных стволов определяются закономерностями функционирования системы «подъемный сосуд - армировка - ствол», основанными как на динамическом взаимодействии сосудов и жесткой армировки, так и на воздействиях внешней среды, обусловленных горно-геологическими, физико-химическими и климатическими факторами.

2. С увеличением интенсивности подъема в глубоких стволах возрастают дополнительные лобовые и боковые эксплуатационные нагрузки на жесткую армировку, действующие в горизонтальной плоскости и возникающие вследствие действия кориолисовой силы инерции, аэродинамических сил в местах встречи подъемных сосудов, кручения подъемных канатов, неточности стыков проводников, эксцентриситета загрузки подъемных сосудов и их допустимого отклонения от вертикали, учет которых влияет на конструирование армировки.

3. Направляющие устройства подъемных сосудов, конструктивные и технологические параметры жесткой армировки выбираются с учетом диссипативных сил, действующих на проводники в вертикальной плоскости, при этом силы трения скольжения (качения) являются линейной функцией интенсивности подъема.

4. Технологические и эксплуатационные параметры армировки глубоких вертикальных стволов (глубина заделки расстрела (консоли) в крепь, величина продольной регулируемости или податливости расстрела, параметры анкерных узлов крепления и др.) определяются с учетом прогнозируемого радиального отклонения крепи ствола от проектного положения, обусловленного горно-геологическими и технологическими факторами и нелинейно зависящего от глубины и диаметра ствола.

5. Конструктивные и технологические параметры жесткой армировки воздухоподающих стволов с анкерным креплением расстрелов (количество, диаметр и длина анкеров, типоразмер профилей расстрелов, зазоры на стыках проводников, наличие узлов податливости, схема армировки и др.) определяются с учетом температурных климатических воздействий, максимальная глубина влияния которых определяется схемой яруса и конструкцией узла крепления расстрелов и колеблется от 100 до 800 м.

6. Оценка долговечности жесткой армировки и выбор антикоррозийных покрытий производятся на основе расчета скорости коррозии профилей, которая определяется в зависимости от минерализации шахтных вод и скорости вентиляционной струи, с помощью уравнения поверхности 2-го порядка общего вида, с учетом напряжений, действующих в элементах армировки.

7. Учет горно-геологических воздействий на армировку осуществляется для глубоких стволов, эксплуатируемых в породах II категории устойчивости и выше, путем введения поправочного коэффициента к расчетному эквивалентному напряжению в элементах армировки, зависящего от глубины ствола, шага армировки, скорости и массы подъемного сосуда.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом большого массива фактических маркшейдерских данных по 74 стволам, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных методов математической статистики; натурными наблюдениями за климатическими характеристиками стволов, проводившимися в течение 10 лет на 16 стволах Российского и 8 стволах Украинского Донбасса; лабораторными исследованиями коррозионных процессов с использованием апробированного метода ускоренных коррозионных испытаний и их удовлетворительной сходимостью с фактическими данными о коррозионном износе эксплуатируемой армировки стволов; конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния армировки с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «ЛИРА-Windows» 9.2; актами внедрения разработанной методики в проектирование армировки 4 вертикальных стволов и результатами опытной проверки предложенных технических решений на 7 натурных объектах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Получены новые уравнения для расчета дополнительных лобовых и боковых нагрузок на армировку: вследствие действия на сосуды кориолисовой силы инерции; аэродинамических сил, возникающих в местах встречи подъемных сосудов; сил вследствие крутящего момента, возникающего в канате под действием растягивающей нагрузки; вследствие одновременных эксцентриситета загрузки и допустимого отклонения подъемных сосудов от вертикали; вследствие неточности стыков проводников; диссипативных сил, действующих на проводники в вертикальной плоскости.

2. Разработан алгоритм и усовершенствованная методика расчета горизонтальных нагрузок на армировку на основе определения по номограммам коэффициентов к основным эксплуатационным (лобовой и боковой) нагрузкам), отличающаяся учетом специфики условий функционирования глубокого вертикального ствола.

3. Определены условия, при которых обязателен учет ряда второстепенных горизонтальных нагрузок на армировку, к которым относятся нагрузки, вследствие действия на сосуды кориолисовой силы инерции; силы вследствие кручения подъемных канатов; силы, возникающие вследствие неточности стыков проводников.

4. Получены новые зависимости вертикальных диссипативных сил на армировку от интенсивности подъема, угла отклонения проводников от вертикали и величины выступа на стыках проводников.

5. На основании результатов статистической обработки маркшейдерских замеров геометрических параметров сечений стволов получены зависимости средних и максимальных радиальных отклонений стенок ствола от проектного положения от глубины и диаметра стволов, используемые для определения конструктивных параметров узлов крепления расстрелов и консолей.

6. На основании натурных наблюдений на шахтах Российского и Украинского Донбасса исследованы температурные климатические воздействия на армировку и получены зависимости годовых амплитуд температуры воздуха от глубины ствола при нормальном и экстремальном тепловых режимах эксплуатации воздухоподающих стволов.

7. На основании лабораторных испытаний установлены факторы, влияющие на развитие коррозионных процессов в элементах армировки, и получены новые зависимости скорости коррозии от минерализации шахтных вод, скорости вентиляционной струи и напряжений в конструкциях.

8. На основании численного моделирования определены параметры напряженно-деформированного состояния армировки, возникающего вследствие совместного влияния эксплуатационных нагрузок и горно-геологических воздействий со стороны вмещающего породного массива.

Научное значение работы заключается в разработке методической базы обоснования конструктивных и технологических решений по армированию глубоких вертикальных стволов с высокой интенсивностью подъема с учетом закономерностей формирования дополнительных эксплуатационных нагрузок и специфики условий функционирования горнотехнического сооружения.

Практическое значение работы заключается в разработке:

- алгоритма и усовершенствованной методики расчета горизонтальных и вертикальных нагрузок на армировку с учетом специфики условий эксплуатации глубоких вертикальных стволов с высокой интенсивностью подъема;

- рекомендаций по проектированию параметров заделки (крепления анкерами) расстрелов с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок ствола вследствие горно-геологических и технологических факторов;

- мер защиты элементов жёсткой армировки вертикальных стволов от отрицательного влияния климатических воздействий;

- новых конструкций армировки для эксплуатации в сложных горно-геологических условиях (Патент №2247246 РФ) и для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема (Патент №2232274 РФ);

- методики оценки скорости коррозионного износа и выбора средств антикоррозионной защиты;

- технологий армирования вертикальных стволов с использованием разработанных схем и конструкций армировки.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы НТЦ «Наука и практика» и Шахтинским институтом ЮРГТУ(НПИ) при разработке следующих проектов:

- рабочей документации жесткой армировки вспомогательного и вентиляционного стволов шахты «Обуховская №1» в части определения параметров анкерного крепления расстрелов;

- рабочей документации армирования вспомогательного ствола №4 шахты «Гуковская» в части определения основных параметров комбинированной (расстрельной и безрасстрельной) жесткой армировки стволов с креплением анкерами;

- рабочей документации жесткой армировки клетевого ствола «Северо-Восточный» рудника «Дарасунский» в части проектирования параметров жесткой армировки с учетом температурных воздействий и разработки технологии крепления расстрелов в бетонной крепи стволов, позволяющей компенсировать температурные напряжения и деформации в анкерных узлах крепления;

- проекта реконструкции скипового ствола рудника «Ново-Широкинский» УК «Русдрагмет» в части разработки технологии замены проводников;

- проекта замены армировки в скиповом стволе рудника «Узельгинский» ОАО «Учалинский ГОК» в части расчета основных и дополнительных нагрузок на армировку и разработки технологии переармирования с использованием действующих подъемных сосудов;

- проекта армирования вентиляционной скважины ООО «Сафьяновская медь - Медин» в части расчета нагрузок на армировку и разработки технологии армирования скважины с использованием регулируемых узлов крепления расстрелов.

Результаты исследований использовались ОАО «Ростовшахтострой» при армировании скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса». армировка геомеханический шахта ствол

Результаты исследований внедрены в учебный процесс для подготовки горных инженеров по специальности 130406 при изучении курсов «Аэрология подземных сооружений», «Шахтное и подземное строительство. Вертикальные стволы» и «Программирование и расчеты на ЭВМ в шахтном строительстве» и специальности 130404 при изучении курса «Строительство и реконструкция горных предприятий».

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международных научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, МГГУ, 2002 - 2008 гг.), Международных конференциях «Форум горняков - 2006» и «Форум горняков - 2007» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина, 2006 и 2007 гг.); Китайской международной конференции по обмену специалистами и выставке научных достижений (г. Шэньян, Китай, 2006 г.); Международных научно-практических конференциях «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2002, 2004 - 2008 гг.); Международной научно-практической конференции «Уголь - Mining Technologies 2003» (ДГМИ, г. Алчевск, Украина, 2003); Второй международной конференции «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности строительства и энергетики» (г. Тула, ТулГУ, 2005); Международных научно-технических конференциях «Техника и технология разработки месторождений полезных ископаемых» (г. Новокузнецк, СибГИУ, 2005 и 2006 гг.); 40 - 53-й региональных, I и II Международных научно-практических конференциях «Перспективы развития Восточного Донбасса» (ШИ(ф) ЮРГТУ(НПИ), г. Шахты, 1995 - 2008 гг.); Всероссийской научно-практической конференции компании «Росуголь» «Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов» (г. Шахты, 1996 г.), научно-производственной конференции компании «Росуголь» и АО «Ростовшахтострой» «Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт» (г. Шахты, 1997 г.); Международной научной конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» (ДГМИ, г. Алчевск, Украина, 1999), Всероссийской выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности «ИННОВ-2003» (г. Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ), 2003 г.); Всероссийском инновационном форуме «ИННОВ-2005» (г. Новочеркасск, 2005 г.), региональной научно-практической школе-семинаре «Прогрессивные технологии строительства, безопасности и реструктуризации горных предприятий» (Донецкое отделение Академии строительства Украины, г. Донецк, 2005 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (АФ ВНУ им. В. Даля, г. Антрацит, Украина, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Перспективы освоения подземного пространства» (НГУ, г. Днепропетровск, Украина, 2007 г.); Международной научной конференции «Устойчивое развитие горнорудной промышленности» (КТУ, г. Кривой Рог, Украина, 2007 г.); Международных научных чтениях по проблемам горного дела и экологии горного производства (АФ ВНУ им. В.Даля, г. Антрацит, Украина, 2007 г.); Выставке-ярмарке, посвященной 100-летию ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «Мосты и туннели: теория, исследования, практика» (ДНУЖТ им. акад. В. Лазаряна (ДИИТ), г. Днепропетровск, Украина 2007 г.); Международной научно-практической школе-семинаре «Прогрессивные технологии строительства, реконструкции, реструктуризации и безопасности в капитальном строительстве предприятий угольной промышленности» (ОАО ГХК «Донбассшахтострой», Донецкое отделение Академии Строительства Украины, г. Донецк, 2007 г.); научных семинарах кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» ТулГУ, кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» ШИ ЮРГТУ(НПИ); заседаниях технических советов НТЦ «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону), ОАО «Ростовшахтострой» (г. Шахты) и ОАО «Ростовгипрошахт» (г. Ростов-на-Дону).

Инновационная научно-техническая разработка «Ремонтопригодный узел крепления армировки шахтного ствола» (авторы Прокопов А.Ю., Сильченко Ю.А., Саакян Р.О.) удостоена Грамоты Всероссийской выставки-ярмарки «ИННОВ-2003».

Инновационная научно-техническая разработка «Ресурсосберегающая технология армирования глубоких вертикальных стволов» (авторы Прокопов А.Ю., Саакян Р.О.) удостоена Диплома II-го Всероссийского инновационного форума «ИННОВ-2005».

Разработка «Защита крепи и армировки вертикальных стволов, эксплуатирующихся в сложных горно-геологических условиях» (авторы Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю.) удостоена Серебряной медали Китайской международной выставки научных достижений (г. Шэньян, КНР, 2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 97 научных работ, в том числе 4 монографии, 2 патента, 91 научная статья, в т.ч. 25 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 28 - за рубежом.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 345 страницах машинописного текста, содержит 174 рисунка, 52 таблицы, список использованной литературы из 361 наименования и 22 приложений, включающих основные расчетные таблицы, результаты исследований, акты внедрения, копии грамот, дипломов, медали.

Автор выражает искреннюю благодарность д-ру техн. наук, проф. Ягодкину Ф.И. за ценные консультации и помощь при работе над диссертацией, д-ру техн. наук, проф. Страданченко С.Г. за всестороннее содействие и поддержку, а также всем соавторам совместных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Выполненный анализ современного состояния, основных тенденций развития и условий эксплуатации жесткой армировки вертикальных стволов позволяет констатировать следующее.

В настоящее время в России и странах СНГ наблюдается устойчивая тенденция к увеличению средней глубины разработки месторождений, как на угольных шахтах, так и подземных рудниках. Это приводит, во-первых, к ухудшению условий эксплуатации вертикальных стволов; во-вторых, к необходимости увеличения интенсивности подъема, т.е. скорости и грузоподъемности подъемных сосудов.

Для увеличения допустимых скоростей подъема и концевых нагрузок необходимо увеличить среднюю жесткость армировки и значительно снизить ее периодическое изменение. В этой связи возможны два направления в развитии схем конструкций жесткой армировки:

- увеличение жесткости применяемых профилей для проводников и расстрелов при сохранении традиционных конструкций ярусов;

- разработка принципиально новых конструктивных решений.

Во второй половине минувшего столетия в горнодобывающей промышленности было реализовано первое направление: замена рельсовых проводников и двутавровых расстрелов коробчатыми профилями. Исследования и практика показала, что развитие этого направления при увеличении интенсивности работы подъема более 6 МДж нецелесообразно.

Второе направление включает в себя переход к новым схемам и конструкциям жесткой армировки: консольным и консольно-распорным, блочным, комбинированным, с переменным шагом армировки, с системой проводников с одинаковой податливостью, с креплением элементов армировки на анкерах и др.

Современный уровень научных и инженерно-технических знаний в области проектирования армировки вертикальных стволов и передовой опыт технологии армирования стволов накоплен в результате работ, исследований и внедрений, проведенных крупными отечественными учеными и инженерами.

Вопросам геомеханики, крепления и поддержания вертикальных стволов посвящены работы И.В. Баклашова, В.Е. Боликова, Н.С. Булычева, А.В. Быкова, В.В. Виноградова, В.И. Голика, В.П. Друцко, Б.А. Картозия, A.M. Кузела, Ю.Н. Кузнецова, В.В. Левита, А.П. Максимова, И.Г. Манца, Н.М. Покровского, А.Г. Протосени, И.И. Савина, А.Н. Шашенко, М.Н. Шуплика и др.

Вопросам разработки новых схем и конструкций армировки, технологии крепления и армирования вертикальных стволов посвящены труды А.Г. Акимова, И.В. Баронского, С.В. Борщевского, А.В. Будника, И.Б. Доржинкевича, Ю.Н. Ермакова, И.Г. Коскова, И.А. Мартыненко, Е.В. Петренко, Ю.Б. Пильча, А.А. Пшеничного, Ю.И. Свирского, И.С. Стоева, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркина, Р.А. Тюркяна, Н.К. Шафранова, Ф.И. Ягодкина и др.

Существенный вклад в создание нормативной документации по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов в 70-90-х гг. ХХ в. внесен работами ученых и специалистов МГИ, ДПИ, а также ведущих научно-исследовательских и проектных организаций: ВНИИГМ им. Федорова, ВНИИОМШС, Южгипрошахт, НИГРИ, Кривбасспроект, Гипроцветмет и др. В частности, исследованиям взаимодействия в системе «подъемный сосуд - армировка», вопросам методики проектирования армировки вертикальных стволов посвящены труды И.В. Баклашова, В.Н. Борисова, В.Д. Белого, Г.О. Вестфаля, Н.Г. Гаркуши, В.И. Дворникова, Ю.Г. Крупника, В.К. Куриленко, В.В. Филатова, А.А. Храмова, Ф.И. Ягодкина и др. Труды этих ученых были положены в основу Методики расчета жесткой армировки вертикальных стволов (ВНИИГМ им. Федорова) и Пособия по проектированию и монтажу жесткой армировки вертикальных стволов шахт и рудников (к СНиП II-94-80, под ред. проф. И.В. Баклашова), которые в течение многих лет обеспечивали высокую эксплуатационную надежность и технико-экономическую эффективность проектируемых армировок.

Однако, в вышеназванных работах, проектирование схем и конструкций жесткой армировки рассмотрено без учета целого ряда дополнительных нагрузок и воздействий, характерных для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема. К таким нагрузкам относятся кориолисова сила инерции, аэродинамические силы в стволе, нагрузки вследствие кручения подъемных канатов, одновременного влияния эксцентриситета загрузки скипов и невертикальности проводников, вертикальные нагрузки вследствие действия диссипативных сил и отклонений движения подъемных сосудов от вертикали, удары на стыках проводников и др.

Кроме перечисленных нагрузок, армировка часто испытывает климатические, горно-геологические, физико-химические и др. воздействия, степень влияния которых на параметры напряженно-деформированного состояния армировки, ее работоспособность и долговечность изучена недостаточно.

Таким образом, положенная в основу действующей нормативной базы динамическая система «подъемный сосуд - армировка» полностью не учитывает всех дополнительных нагрузок и внешних воздействий на армировку, характерных для глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема. Для более адекватной оценки работоспособности жесткой армировки предлагается изучить закономерности функционирования новой системы: «подъемный сосуд - армировка - ствол», которая позволит комплексно учитывать все нагрузки и воздействия при расчете и конструировании армировки.

Исходя из вышесказанного, а также в соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи исследований:

1) Исследовать влияние интенсивности работы подъемных установок, точности монтажа армировки, эксцентриситета загрузки подъемных сосудов, аэродинамических характеристик, типов направляющих устройств на величины дополнительных горизонтальных (лобовых и боковых) и вертикальных нагрузок на жесткую армировку.

2) На основании полученных результатов исследований разработать алгоритм и методику расчета нагрузок на жесткую армировку глубоких стволов с высокой интенсивностью подъема и сформулировать предложения по внесению дополнений и изменений в действующие нормативные документы по расчету жестких армировок.

3) Определить влияние радиальных отклонений крепи ствола в процессе проходки на расчетные параметры армировки и область регулирования положения проводников в зависимости от глубины ствола.

4) Исследовать влияние климатических факторов на состояние армировки, научно обосновать конструктивные и технологические решения по армированию стволов с учетом климатических воздействий, а также схемы и конструкции, направленные на снижение их влияния.

5) Исследовать горно-геологические воздействия на армировку глубоких стволов, разработать метод их оценки и способы защиты конструкций от влияния сложных горно-геологических условий.

6) Исследовать физико-химические воздействия на армировку, экспериментально установить факторы, влияющие на скорость коррозионных процессов в элементах армировки, и разработать алгоритм и методику выбора антикоррозийных мероприятий для конкретных условий эксплуатации ствола.

7) Провести промышленную апробацию разработанных конструктивных и технологических решений по армированию на нескольких вертикальных стволах и дать технико-экономическую оценку предложенных решений.

Исследуем действие дополнительных усилий на армировку в соответствии с разработанной классификацией нагрузок и воздействий и оценим их удельный вес в нормативной эксплуатационной нагрузке.

Кориолисова сила P_к является результатом сложного движения подъемного сосуда по стволу, состоящего из движения относительно собственно ствола с некоторой скоростью V_с и переносного движения, возникающего вследствие суточного вращения Земли с угловой скоростью щ.

Кориолисова сила инерции направлена по касательной к параллели на восток. Величина этой силы определяется по формуле

,

где k_к - коэффициент, учитывающий географическую широту места расположения шахты ц, угловую скорость вращения Земли щ и ускорение силы тяжести g, с/м, для условий Российского Донбасса (географическая широта 48) k_к = 110^-5 с/м; Q_к - максимальная концевая нагрузка, кН.

С учетом возможного ускорения подъемного сосуда а, м/с², и произвольной ориентации оси подъема относительно сторон света дополнительные максимальные лобовая и боковая нагрузки на армировку вследствие действия кориолисовой силы равны

где I_под - интенсивность подъема, Дж; б - азимут оси, соединяющей двусторонние проводники.

Максимальные нагрузки на армировку и , Н, от действия кориолисовой силы для стволов, расположенных в Донбассе, упрощенно рассчитываются в зависимости от интенсивности подъема I_под, МДж, с помощью найденной линейной функции (коэффициент корреляции R² = 0,919):

В наиболее неблагоприятных условиях с точки зрения передачи результирующих нагрузок на армировку от действия кориолисовой силы являются стволы, ориентированные на местности по азимуту оси подъема б = 90°, т.е. с запада на восток.

Для учета кориолисовой силы при определении эксплуатационных нагрузок на армировку введем коэффициенты и определяемые отношениями

,

,

где: _x, _y - зазоры на сторону между рабочими или предохранительными направляющими скольжения и проводником, м; К_р - коэффициент влияния типа рабочих направляющих подъемного сосуда; l - шаг армировки, м; _y1, _x1 - коэффициенты соответственно в лобовой и боковой плоскостях, определяемые по нормативной методике расчета жестких армировок.

С достаточно высокой точностью и достоверностью (R² = 0,97 - 0,98) коэффициенты и определяются по формуле

,

где К - коэффициент пропорциональности, зависящий от направления приложения нагрузки, профиля проводника и типа направляющих устройств

Дополнительные лобовые и боковые нагрузки на коробчатые (рельсовые) проводники вследствие действия кориолисовой силы, при шагах армировки 3 (3,125) и 4 (4,168) м, не превышают 1,5-2% (на рабочих скоростях движения скипов более 8 м/с), поэтому в таких условиях указанными дополнительными нагрузками можно пренебречь.

При увеличении шага армировки до 6 м (для коробчатых) и 6,25 м (для рельсовых проводников) коэффициенты и , увеличиваются до 1,03 - 1,07 в зависимости от рабочей скорости движения скипов, т.е. дополнительная нагрузка от кориолисовой силы составляет 3 - 7% от эксплуатационной, и вопрос об ее учете при проектировании армировки должен решаться в каждом конкретном случае в зависимости от схемы армировки и условий ее эксплуатации.

Аэродинамические силы в местах встречи подъемных сосудов Р_а.вст. В месте встречи сосудов в стволе возникает подпор воздуха, который стремится расширить пропускное сечение воздушной струи между сосудами. Затем часть воздуха проходит с повышенной скоростью между сосудами, его статическое давление падает, вследствие этого возникает толчкообразное ускорение подъемного сосуда, направленное к середине ствола.

С учетом скоростей сосуда V и вентиляционной струи V₁ аэродинамическая сила выразится как

P_а.вст = c S_бок (V ± V₁)² (k + sin _а),

где с - коэффициент сопротивления, определяемый опытным путем в зависимости от формы тела; для скипа, как параллелепипеда с = 0,36; - плотность воздуха, кг/м³; S_бок - площадь боковой поверхности подъемного сосуда, м²; k = 0,15ч0,20 - коэффициент, учитывающий уменьшение давления вследствие потери скорости при движении воздуха в поперечном направлении; б_а - угол атаки вентиляционного потока, град. Сумма скоростей V и V₁ принимается при встречном движении сосуда и вентиляционной струи, разность - при однонаправленном.

В зависимости от расположения подъемных сосудов в сечении ствола горизонтальная аэродинамическая сила на сосуды вызывает дополнительную лобовую (рис. 1, а) или же боковую (рис. 1, б) силы на проводники.

Дополнительные лобовая и боковая силы на проводники от аэродинамических сил в месте встречи подъемных сосудов составят:

;

,

где: а_с, b_с - геометрические размеры подъемного сосуда в плане, соответственно перпендикулярный и параллельный лобовой нагрузке на проводник, м;

H - высота подъемного сосуда, м; , - соответственно углы атаки воздушной струи в лобовой и боковой плоскостях, °; n - количество проводников, воспринимающих нагрузку.

Рис. 1. Схема формирования дополнительных нагрузок на проводники от аэродинамической силы на сосуды в месте их встречи: а - лобовой; б - боковой, R_л, R_б - лобовая и боковая реакции проводников от действия аэродинамической силы на подъемные сосуды P_а.вст

Дополнительные нагрузки на армировку и , Н, для серийно используемых скипов упрощенно рассчитываются в зависимости от интенсивности подъема I_под, МДж, с помощью линейной функции (при коэффициентах корреляции R² = 0,934 для лобовой и R² = 0,938 для боковой нагрузки):

Для учета аэродинамических сил при определении эксплуатационных нагрузок на армировку введем коэффициенты и определяемые отношениями

,

.

С достаточно высокой точностью (корреляционное отношение - от 0,835 до 0,995) коэффициенты и рассчитываются по формуле

,

где A и B - коэффициенты аппроксимации, зависящие от направления приложения нагрузки, шага армировки, профиля проводника и типа направляющих.

Дополнительные лобовые и боковые нагрузки на коробчатые (рельсовые) проводники вследствие действия аэродинамических сил в местах встречи скипов, при средней интенсивности подъема (3 - 10 МДж) составляют:

- 2-7% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 3 (3,125) и 4 (4,168) м;

- 7 - 22% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 6 (6,25) м.

При высокой интенсивности подъема (10 - 40 МДж) удельный вес дополнительной нагрузки вследствие аэродинамического удара в общей нагрузке на армировку снижается и составляет:

- 1-2% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 3 (3,125) и 4 (4,168) м;

- 4 - 11,5% эксплуатационной нагрузки при шагах армировки 6 (6,25) м.

Таким образом, дополнительные лобовые и боковые нагрузки на проводники вследствие действия аэродинамических сил в местах встречи подъемных сосудов должны обязательно учитываться при проектировании армировки с шагом 6 (6,25) м при любой интенсивности подъема, а также с шагом 3 (3,125) и 4 (4,168) м при интенсивности подъема ниже 10 МДж.

Силы от крутящего момента, возникающего в головном канате Р_м. При растяжении сталепроволочного каната осевыми усилиями в нем возникают моменты, стремящиеся раскрутить канат, т.е. увеличить шаг свивки прядей.

Под воздействием крутящего момента M подъемный сосуд пытается повернуться на угол ц, тем самым воздействуя на проводники с силой P_м. С учетом разложения этой силы на составляющие дополнительные лобовая и боковая нагрузки на проводник составят

;

,

где с_р - коэффициент результирующего момента (для одноканатных подъемов с_р =1, для многоканатных с_р = 0,175); k_с - коэффициент упругой связи каната; d - диаметр головного каната, мм; S_к - плечо вращения, т.е. расстояние от центра подъемного сосуда в плане до центра проводника, м.

Исходя из требуемой линейной плотности подъемного каната, определим рациональную область применения одно- и многоканатных подъемных машин (рис. 2).

Для учета дополнительных нагрузок на армировку вследствие кручения каната введем коэффициенты и , определяемые отношениями

,

.

С достаточно высокой точностью (R² = 0,97 - 0,99) коэффициенты и рассчитываются по формуле

,

где К_м - коэффициент пропорциональности, зависящий от направления приложения нагрузки, профиля проводника, типа направляющих устройств и схемы подъема (одно- или многоканатный).

Рис. 2. Графики зависимости требуемой линейной плотности каната от массы подъемного сосуда и глубины ствола (пунктирной линией отделены рациональные области применения одно- и многоканатных подъемов)

При расчете лобовых нагрузок на проводник, дополнительная сила от кручения подъемного каната должна учитываться:

- для одноканатного подъема - при использовании рельсовых или коробчатых проводников и шага армировки 6 (6,25) м, при этом = 1,03 - 1,13;

- для многоканатного подъема (применении большегрузных подъемных сосудов массой 60 - 100 т) - при использовании только рельсовых проводников и шага армировки 6,25 м, при этом = 1,03 - 1,07;

При расчете боковых нагрузок дополнительными силами от кручения подъемного каната можно пренебречь при любом типе проводников и шаге армировки как для одноканатного, так и многоканатного подъемов, так как колеблется при рабочих скоростях движения сосуда от 1,0005 до 1,038.

Силы вследствие эксцентриситета загрузки подъемных сосудов Р_экс. Эксцентриситет центра масс подъемного сосуда характеризует несимметричность расположения жестких рабочих или предохранительных направляющих относительно центра масс груженого сосуда по вертикали e_в и в горизонтальной плоскости е_г.

Согласно действующей нормативной методике, при расчете горизонтальных (лобовых и боковых) эксплуатационных нагрузок на армировку учитывается только эксцентриситет е_в, возникающий в вертикальной плоскости,

,

где l₁ и l₂ - расстояния по вертикали от центра масс подъемного сосуда до верхних и нижних направляющих устройств.

Он обусловлен геометрией и конструкцией подъемного сосуда, поэтому для каждой клети или скипа является величиной постоянной.

В то же время эксцентриситет сосуда в горизонтальной плоскости, обусловленный неравномерностью загрузки скипа или клети, действующей методикой не учитывается, хотя вследствие образующегося опрокидывающего момента возникает перекос подъемного сосуда и, как следствие, дополнительная нагрузка на проводники.

Величина эксцентриситета в горизонтальной плоскости имеет вероятностный характер, так как зависит от степени несимметричности загрузки, которая, по данным ВНИИОМШСа, достигает:

для скипов 0,1 ч 0,15Q_г

для клетей - 0,3 ч 0,5 Q_г,

где Q_г - суммарный вес груза.

Исходя из этого, найдены максимальные эксцентриситеты загрузки скипов в горизонтальной плоскости по осям x и y, равные

е_х = 0,075a_с;

e_y = 0,075b_с,

где a_с, b_с - размеры скипов в плане соответственно вдоль осей х и y.

Проведенные аналитические исследования показывают, что при смещении центра масс сосуда вдоль оси y, соединяющей двусторонние проводники, на них воздействует дополнительная лобовая сила, равная соответственно при равномерном и равноускоренном движении скипа:

,

где h - расстояние между верхними и нижними направляющими устройствами скипа, м; s - колея, м.

При смещении центра масс относительно оси х, будет возникать дополнительная боковая сила, равная, соответственно при равномерном и равноускоренном движении:

,

где k - геометрический коэффициент скипа, .

При смещении центра масс скипа в произвольном направлении на проводники будут действовать и лобовая и боковая дополнительные силы, значения которых определяться из выражений

Силы вследствие отклонения движения скипов от вертикали Р_откл. При монтаже армировки неизбежны отклонения ее элементов от проектного положения, допустимые значения которых регламентируются нормативными документами. При эксплуатации армировки возникают еще большие отклонения ее проектных геометрических параметров.

Возникающие при движении по искривленным проводникам дополнительные силы на армировку зависят от угла отклонения от вертикали продольной оси скипа , который определяется углом наклона проводника , регламентируемыми зазорами между направляющими устройствами и проводниками, а также величиной допускаемого уширения колеи. Максимально допускаемый угол отклонения оси сосуда от вертикали равен

,

где ₁ - максимальный зазор между направляющим устройством и проводником, мм (10 мм - для рельсовых, 15 мм - для коробчатых);

₂ - максимально допустимое отклонение ширины колеи от проектного положения (+ 24 мм);

₃ - максимально допустимое отклонение проводников на двух смежных ярусах от вертикальной плоскости (при монтаже - 3 мм, в результате искривления проводников при эксплуатации - 10 мм).

Исходя из этого, были рассчитаны максимально допустимые углы отклонения скипов от вертикального положения вследствие неточности монтажа, а также искривления проводников в период эксплуатации для различных типов проводников и шагов армировки (табл. 1).

Таблица 1

Расчетные значения максимально допустимых углов отклонения скипов от вертикали^*

Шаг армировки, м	Max отклонение проводника от вертикали по высоте скипа, мм	Max угол между продольной осью скипа и вертикалью, при профиле проводника
		рельсовом	коробчатом
	при высоте скипа по раме**, м
	6	8	12	6	8	12	6	8	12
При монтаже армировки
3	6	8	12	-	-	-	053'	055'	100'
3,125	5,8	7,7	11,5	039'	041'	046'	-	-	-
4	4,5	6	9	-	-	-	038'	040'	042'
4,168	4,3	5,8	8,6	028'	030'	032'	-	-	-
6	3	4	6	-	-	-	025'	025'	026'
6,25	2,9	3,8	5,8	018'	019'	020'	-	-	-
При эксплуатации ствола в результате искривления ниток проводников
3	20	26,7	40	-	-	-	125'	129'	136'
3,125	19,2	25,6	38,4	110'	117'	130'	-	-	-
4	15	20	30	-	-	-	059'	104'	122'
4,168	14,4	19,2	28,8	048'	052'	100'	-	-	-
6	10	13,3	20	-	-	-	036'	037'	042'
6,25	9,6	12,8	19,2	029'	031'	035'	-	-	-

Примечания. ^*Расчет произведен при допущении, что отклонения проводников от вертикальной плоскости на нескольких смежных ярусах возникают в одном направлении.

^** Для промежуточных значений высоты скипов величина угла максимального отклонения скипа от вертикали определяется методом линейной интерполяции.

Дополнительные лобовые горизонтальные усилия на проводники вследствие отклонения скипа от вертикали соответственно в нижней и верхней опорах (направляющих устройствах) составляют:

;

.

где H - высота подъемного сосуда, м;

м - коэффициент трения направляющих устройств по проводникам;

;

;

.

Кроме горизонтальных сил, на проводники будут действовать дополнительные вертикальные силы, равные соответственно на нижней и верхней опорах

;

.

При соблюдении нормативных требований к монтажу армировки эти силы не превышают:

- для типовых скипов средней грузоподъемности (до 30 т) - 0,14 кН;

- для большегрузных скипов (до 100 т) - 0,50 кН,

что находится в пределах от 3 до 36% от собственного веса проводника.

Величина этой вертикальной нагрузки должна учитываться при расчете собственного веса проводника поправочным коэффициентом , зависящим от шага армировки, типа и типоразмера профиля проводника.

Силы, действующие при движении эксцентрически загруженного скипа по проводникам, имеющим отклонения от вертикали. Так как дополнительные нагрузки на проводник от эксцентриситета загрузки скипов и и дополнительные нагрузки, возникающие в результате отклонения проводников от вертикали и во многом зависят от одних и тех же факторов (геометрии подъемных сосудов, их массы и др.), были рассчитаны дополнительные суммарные нагрузки от одновременного действия этих двух факторов: лобовая и боковая , при этом рассмотрены все возможные сочетания направлений отклонения проводников с эксцентриситетами загрузки скипов.

Схема наиболее неблагоприятного сочетания с точки зрения формирования дополнительных лобовых нагрузок представлена на рис. 3. Это случай, при котором отклонения проводников и центра масс направлены противоположно, т.е. смещение проводников происходит в вертикальной плоскости Oyz против часовой стрелки, а смещение центра масс (до точки ) происходит в направлении положительной полуоси Oy₁ на величину эксцентриситета е_y.

В соответствии с расчетной схемой (рис. 3), составим систему уравнений равновесия, решив которую найдем нагрузки на проводники соответственно в опорах А и В:

;

.

где , .

, .

Аналогичный расчет произведем для боковых нагрузок .

Исходя из расчетной схемы, дополнительные боковые силы составят

;

где ; ;

; .

Рис. 3. Расчетная схема к определению лобовых нагрузок на армировку при противоположном направлении лобовых отклонений проводников и центра масс

Как следует из расчетов, эксцентриситет загрузки скипов в боковой плоскости менее опасен, так как вызывает значительно меньшее увеличение нагрузки на проводники, по сравнению с аналогичным эксцентриситетом в лобовой плоскости.

Так при максимально допустимых нормами углах наклона проводников к вертикали в боковой плоскости и максимально ожидаемом боковом эксцентриситете загрузки дополнительная боковая нагрузка на проводники не превышает для скипов средней грузоподъемности (до 30 т) - 0,7 кН, для большегрузных скипов (до 100 т) - 2,3 кН.

Максимальные же эксцентриситеты загрузки и аналогичные отклонения проводников от вертикали в лобовой плоскости вызывают увеличение лобовой нагрузки соответственно до 9 и 31 кН, что более, чем на порядок выше аналогичных боковых нагрузок.

Таким образом, наиболее неблагоприятным является случай движения скипа на участках с отклонением проводников в лобовой плоскости при наличии лобового эксцентриситета загрузки скипа, направленного противоположно отклонению проводников от вертикали.

На такое сочетание нагрузок и должны быть рассчитаны армировки вертикальных стволов.

Для учета сил и при определении эксплуатационных нагрузок на армировку введем коэффициенты и :

;

.

С достаточно высокой точностью (R² = 0,97 - 0,995) коэффициенты и рассчитываются по формуле

,

где К_эо - коэффициент пропорциональности, зависящий от направления приложения нагрузки, профиля проводника и типа направляющих устройств

При расчете лобовых нагрузок на проводник, дополнительная сила от совместного влияния эксцентриситета загрузки скипов и искривления проводников должна учитываться во всех случаях независимо от типа проводников, направляющих устройств и шага армировки, при этом коэффициент = 1,1 - 2,3;

При расчете боковых нагрузок дополнительными силами от совместного влияния эксцентриситета загрузки скипов и искривления проводников можно пренебречь при любом типе проводников и направляющих устройств для шагов армировки 3(3,125) м и 4(4,168) м, и обязательно учитываться для шагов армировки 6(6,25) м, при этом для V > 8 м/с коэффициент = 1,04 - 1,21.

...