автореферат диссертации по строительству, 05.23.18, диссертация на тему:Обоснование и разработка новых конструкций и пространственных методов расчета крепей стволов мелкого заложения

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московский государственный горный университет

На правах рукописи МИШУКОВ Сергей Адольфович

УДК 622.281

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА НОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА КРЕПЕЙ СТВОЛОВ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ

Специальность 05.23.18 — «Подземное строительство»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена ю Московском государственном горном университете.

Научный руководитель докт. техн. наук, 'проф. НАСОНОВ И. Д.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. ВОРОБЬЕВ А. Н., канд. техн. наук ВУЗОВ Г. С.

(Ведущее предприятие — институт «Мосннжпрсект» Глав-архнтектуры.

Защита диссертации состоится «

м » енШй^я-1994 года

в час. на заседании специализированного совета Д-053.12.11 ¡в Московском государственном горном университете ш адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан « » ОКТЙ&РЯ. . 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. ШУПЛИК М. Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Крепление стволов мелкого заложения (глубиной до 10 м) является одним из самых насущных в комплексе вопросов городского подземного строительства. Причина этого лежит в невысокой кратности повторного использования и технологичности возведения почти повсеместно применяемой временной металлодеревян-ной инвентарной крепи, ее недостаточной несущей способности, жесткости, даже при сравнительно высокой материалоемкости. Tait, для крепления'I м ствола диаметром от 4,0 до 7,5 м в среднем расходуется от 500 до 1300 кг металла и 1,2 - 2,6 м3 лесоматериалов, причем при погашении стволов или оборудовании в них эксплуатационных колодцев, или камер до 60% металла и древесины не извлекается. Недостаточная для сложных инженерно-геологических условий строительства несущая способность и жесткость крепи является причиной ее невысокой надежности и частой необходимости дополнительного усиления конструкции, что также значительно ухудшает технико-экономичг-зкие показатели крепи.

При этом с помощью такой крепи только в г.Москве ежегодно возводят до 300 стволов диаметром от 3 до 9,5 м со средней глуби- -ной заложения 8 м.

Одним из путей уменьшения материалоемкости временных крепей, повышения их несущей способности является обеспечение пространственной работы конструкции посредством применения тонких круговых оболочек с кольцевыми ребрами жесткости. При этом конструкция крепи должна быть блочной и обеспечивать надежность стыков в окружном и продольном направлениях.

Следует отметить, что существующие методы расчета вертикальных стволов используют в основном плоскую расчетную схему, применение которой допустимо лишь при незначительных Изменениях нагрузки по длине ствола, а также при постоянной толщине крепи. Применяемые пространственные методы расчета крепей вертикальных стволов или в значительной мере упрощены или используют расчетные схемы конструкций крепей для глубоких стволов шахт, выполненных из монолитного бетона переменной толщины.

В связи с этим обоснование и разработка облегченных ребристых блочных конструкций и пространственных методов расчета крепи стзо-

•

лов мелкого заложения являются актуальной научной задачей.

Целью работы ■ является разработка новых конструкций и методов пространственного расчета крепи стволов мелкого заложения, обеспечивающих уменьшение материалоемкости крепи и возможность многоразового использования.

Идея работы заключается в использовании закономерностей пространственной работы крепи в виде систем кольцевых ребер жесткости, объединенных между собой тонкостенными короткими круговыми цилиндрическими оболочками, для обоснования и расчета параметров новой конструкции крепи стволов мелкого заложения.

Научные положения, разработанные лично соискателем:

снижение материалоемкости крепи стволов мелкого заложения при обеспечении их необходимой несущей способности достигается за счет выполнения крепи в виде периодической системы кольцевых ребер жесткости, объединенных между собой тонкостенными короткими круговыми цилиндрическими оболочками;

расстояние между кольцевыми ребрами жесткости и толщина оболочки (ограждающей стенки блоков) определяются расчетом на осноье устаноапенных закономерностей пространственного напряженно-деформированного состояния оболочки в зависимости от величины и нерав-. • номерности действующей нагрузки, радиуса срединной поверхности крепи-оболочки и прочностных характеристик материала;

несущая способность и жесткость кольца крепи, выполненного в виде отдельных блоков тонкой круговой цилиндрической оболочки, усиленной кольцевыми ребрами жесткости, соединенных между собой болтовыми связями через наклонные или вертикальные ребра при загрузке кусочно-распределенной равномерной нагрузкой, близки к несущей способности и жесткости неразрезнэго кольца аналогичной , конструкции. При этом несущую способность и жесткость блоков крепи можно определять на основе установленных закономерностей напряженно-деформированного состояния круговых арок.

Научная новизна работы:

разработан метод пространственного расчета крепи' стволов мелкого заложения в виде системы кольцевых ребер жесткости, объедн-: • ¡¡них между собой тонкостенными короткими круговыми цилиндрическими оболочками,'при этом установлена зависимость напряжениЛ, (Цегствующих в оболочке крепи, от ее геометрических и механических параметров;

разработан экспериментально-аналитический способ определен;;.)!

несущей способности блочной крепи стволов мелкого заложения. При этом установлено влияние конструкции стыков, геометрических и механических параметров блоков на их напряженно-деформированное состояние;

на основе выполненных исследований разработаны направления совершенствования крепей стволов мелкого заложения за счет обеспечения их пространственной работы при использовании объединенных в продольной и окружном направлениях блоков с кольцевыми ребрами жесткости.

Обоснованность и достоверность научных положений.

выводов и рекомендаций- подтверждаются:

корректностью постановки теоретических задач, основанных на использовании моментной теории коротких цилиндрических оболочек;

сходимостью результатов теоретических расчетов с данными экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния блоков крепи на лабораторном стенде (максимальные расхождения не превышали +18$).

Научное значение работы заключается в обосновании и разработке пространственного метода расчета,крепи стволов мелкого заложения облегченной ребристой блочной конструкции, учитывающей закономерности распределения напряжений в элементах крепи по двум взалмоперпендикулярнш направлениям.

Практическое значение работы состоит в создании конструкции крепи стволбв мелкого заложения, обеспечивающей ¡рсокую надежность, малую материалоемкость, возможность многоразового использования крепи, а также в разработке "Методики прочностного расчета облегченной ребристой блочной крепи стволов мелкого заложения".

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Новая конструкция крепи стволов принята к изготовлении и внедрению на объектах Акционерного общества горнопроходческих работ № 3. Разработанная "Методика прочностного расчета облегченно;'! ребристой крепи стволов мелкого заложения" принята для использования проектным институтом "Мосинжпроект".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре СПСиШ и отраслевой научно-исследовательской лаборатории МГГУ.

Публикации. Основное содержание ртссертации отражено в

4 печатных работах.

Обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на -/9/ страницах машинописного текста, содержит список дитературн из наименований, таб-

лиц.45 рисунков и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Важной задачей городского подземного строительства является сооружение коллекторных тоннелей и связанная с этой задачей проходка большого количества стволов мелкого заложения (около 500 стволов в год).

При рассмотрении вопроса постановки цели и задач диссертационной работы проанализировано современное состояние строительства стволов коллекторных тоннелей, изучены инженерно-геологические характеристики условий строительства стволов в г. Москве, рассмотрены конструкции крепей, используемых при строительстве стволов. Кроме того, проведен анализ современных методов расчета крепей стволов.

Данные анализа современного состояния строительства стволов указывают на высокую стоимость работ по строительству стволов, составляющую 15? от затрат на строительство всего коллектора. Глубина заложения стволов определяет выбор вида крепи. В связи с этим стволы коллекторных тоннелей целесообразно разбить на два класса:

- класс стволов мелкого заложения (до 10 м);

- класс стволов среднего заложения (от 10 м). Такая классификация соответствует характеру применяемых видов крепей.

Особенность геологического строения Лля небольших,глубин (на примере статистики г.Москвы) заключается в преобладании песчаных и суглинистых пород. Уровень грунтовых вод редко превышает отметку 10 м..Это позволяет разбить геологические характеристики на три группы, соответствущие различным условиям проходки стволов.

Первая группа (75?) - песчаные и глинистые грунты естественной влажности.

Вторая группа (20?).- обводненные пески и супеси.

Третья группа (5%) - обводненные глинистые грунты, плывуны и неустойчивее грунты.

При анализе конструкций крепей стволов можно выделить два подхода в конструктивно-технологических решениях.

Первый подход соответствует проходке стволов с применением временных крепей.

Второй подход соответствует применению постоянных крепей.

В диссертации проанализированы несколько конструкций временных крепей: металлодеревянная инвентарная крепь, крепь из ребристых металлодеревяшшх блоков и шпунтовая металлическая крепь. Недос-. татком самой широко распространенной и дешевой металлодеревянной крепи является низкая оборачиваемость и ограниченная несущая способность. Кроме того, эта крепь отличается достаточно высокой трудоемкостью возведения.

В работе также проанализированы конструкции постоянных крепей - панельная полигональная железобетонная крепь, два вида блочной железобетонной крепи и конструктивное решение в виде монолитной бетонной крепи, сооружаемой механизированными шагающим комплексами. Они обеспечивают высокую несущую способность, возможность использования их как элементов конструкций будущих эксплуатационных камер. Однако эти крепи требуют большого расхода материалов; отличаются высокой трудоемкостью изготовления и возведения; характеризуются низкими скоростями установки. Областью эффективного применения таких крепей является класс стволов средней глубины.

Проведенный анализ позволил сформировать технические требования к конструкциям крепей стволов мелкого заложения:

1) конструкция в самых- неблагоприятных условиях должна обеспечивать необходимую несущую способность и жесткость;

2) наиболее эффективно применение блочных несущих элементов крепи, обеспечивающих быструю сборку и демонтаж крепи;

3) конструкция должна иметь невысокую стоимость изготовления;

4) элементы крепи должны иметь высокую безремонтную способность;

5) требуется замена деревянной затяжки на металлические тонкостенные ограздащие конструкции.

. Существенный вклад в разработку механики горных пород и подземных сооружений, критериев оценки устойчивости пород и крепей, методов расчета параметров' крепей и разработки конструкций крепи стволов внесли: Б.З.Амусин, И.В.Бакланов, В.Г.Березанцев, В.Н.Борисов, Н.С.Булычев, А.Н.Воробьев, С.С.Давыдов, В.М.Денисов, А.Н. Динник, ж.С.Ержанов, В.Н.Каретников, Б.А.Картозия, И.Н.Кацауров,

Г.М.Крытов, А.М.Козел, Г.А.Нруненников, А.Лабасс, Ю.М.Лнберман, Л.Н.Насонов, В.Л.Попов, М.М.Протодьяконов, А.Г.Протосеня, И.В.Родин, К.В.Руппенейт, Г.Н.Савин, Р.феннер, Н.Н.Фотиева, П.М.Цкмба-ревич, Т.Н.Дай, И.Л.Черняк и др.

Анализ методов расчета крепей стволов показал, что основной режим работы крепи ствола мелкого заложения - "режим заданной нагрузки". Для определения действующих нагрузок на крепь ствола можно использовать рекомендации СНиП П-94-80.

Для определения влияния неравномерности нагрузки на ствол, обусловленной особенностями городского строительства (наличие внешних пригрузок на ствол, большая неравномерность радиальной нагрузки, сложная гидрогеологическая обстановка) могут быть применены методики 0.Домке, Ф.Мора и Г.Линка.

Большинство расчетных схем стволов и методик расчета, отличаясь друг от друга по характеру взаимодействия крепи и массива', представляют собой плоскую систему в виде кольца с действующими на него горизонтальными нагрузками. К ним относятся методики Мет-рогипротранса, методика Кратова Г.М., методика немецких инженеров Ф.Мора-, Г.Линка, Ф.Ванслебена, методика Рупленейта К.В., Лытки-на В.А., Драновского А.Н., методика ВНИМИ, методика Булычева Н.С., методика Либермана Ю.М., Песляка Ю.А., методика Фотиевой H.H., методика Денисова В.М., методика П.2итца и другие. Эти расчетные схемы хорошо работают при проектировании крепей стволов средней и большой глубины.

Для решения задачи расчета конструкций крепей мелкого заложения необходимо рассматривать полное напряженно-деформированное состояние, как в плоскости поперечного сечения, так и по длине ствола. I

Пространственная методика расчета, разработанная Воробьевым А.Н,позволяет рассчитывать крепь, выполненную в виде круговой цилиндрической оболочки на произвольную пространственное изменяющуюся нагрузку. Однако область применения данной методики ограничена использованием ее для расчета конструкций бетонной монолитной крепи переменной толщины, т.е. не рассматривает ребристые конструкции.

На основании проведенного анализа были сформулированы основные задачи диссертационной работы:

- разработка метода расчета крепей стволов мелкого заложения на основе моментной теории тонких круговых цилиндрических оболочек;

- о ~

- проведение экспериментальных исследований напряженно~де(|юр-мированного состояния блочной крепи;

- обоснование и разработка рациональной конструкции крепи и технологии ее возведения.

Отличительными особенностями идеологии создаваемой крепи являются:

- обеспечение высокой цилиндрической жесткости за счет объединения кольцевых несущих поясов (ребер) дополнительными депла-национными связями;

- оптимизация материалоемкости за счет эффекта пространственного перераспределения, напряжений в оболоченной конструкции.

Расчетная схема-крепи ствола (рис. I) представляет собой периодическую систему кольцевых ребер жесткости, объединенных между собой тонкостенными цилиндрическими оболочками. Конструкция загружена произвольно распределенной нагрупкой в трех взаимно перпендикулярных направлениях X, У , £ , при этом:.

Х(?,9)~ касательная составляющая нагрузки по длине оболочки;

У(¥>6)- касательная составляющая нагрузки по периметру поперечного сечения оболочки;

Z (*?,&)- радиальная составляющая нагрузит;

f--^- - безразмерная координата по длине выработки;

Q - угол, отсчитываемый по часовой стрелке от Z к У .

- Расчет крепи производится п два »гапа.

Fla первом этапе производился расчет ребер жесткости, которые несут основную нагрузку, и иг. жесткость существенно вн-пе жесткости тонких участков. Далее ребристая конструктя рассматривается • как крепь постоянной толщины посредством "развязывания ребер" при приравнивании моментов инерции сечений колец жесткости и полосы постоянной толщины на длине 1м.

Необходимый момент инерции кольцевых ребер находится по фор-

^ у Швв±ШШШШШ£^

96 Rffp ..

гДе Jx - суммарный момент инерции ребер относительно оси X , отнесенный к I м длины ствола;

Рп - расчетное горизонтальное (радиальное) давление грунта;

Rnp~ предел упругости материала крепи.

На втором этапе определяется напряжение в тонкой оболочке. Расчет ведется на действие местной нагрузки..Исследование напряженно-деформированного состояния оболочки выполняется с использованием моментной теории круговых цилиндрических оболочек Власова В.З., развитой применительно к задачам проектирования крепей стволов шахт Воробьевым А.Н.

Особенностью моментной теории является учет действия изгибающих моментов в продольном и поперечном направлении крепи, возникающих из-за периодического изменения продольной жесткости крепи, а также из-за неравномерности нагрузка на крепь.

В общем виде задача сводится к решению некоторой системы дифференциальных уравнений в безразмерных координатах ^ и 9 . Основными усилиями, определяющими напряженное состояние крепи, являются изгибающие моменты Щ¥ ,9 )', М* ( ®, 9 ) и продольные силы N (7,0 ); № (¥,0;.

Принимается, что на торцах оболочек внутренние усилия и перемещения равны нулю.

Решение уравнений производится методом разделения переменит: с использованием разложения Фурье по ортогональным функциям.

По переменной ^ параметры нагрузки, усилий и перемещений раскладываются по балочным фундаментальным функциям:

¡У

где Хн балочная фундаментальная функция и ее чет-

вертая производная;

^Йк - коэффициент, зависящий от вида балочной функции, вводимый в моментной теории Власова В.З.

В качестве балочной фундаментальной функции целесообразно использовать функцию вида

Хк^-дпяр* , (»

где к =1,3,5...;

¿. - расстояние между торцами оболочки (шаг 'между кольцевыми ребрами жесткости). Эта функция удовлетворяет граничным условиям на торцах оболочки, что выражается в равенстве нулю моментов и продольных сил

при О и ^ = А. .

По переменной в нагрузки, усилия и перемещения раскладывались в ряде по COS , либоStnQ^ (Здесь так как любую непрерывную на отрезке [0>25г] функцию с аргументом пв можно представить четной или нечетной на отрезке , Z ЗТJ с аргументом

Б работе представлен ход решения задачи и получены инженерные формулы для расчета крепи в виде периодической системы кольцевых ребер жесткости по разработанной методике.

Для наиболее опасного срединного сечения оболочки они имеют следующий вид:*

- для изгибающих моментов '

гдесь , аг_ Ij.fl!-, Д„Р„ ,

- дня продольной СИЛЫ

где h -.толщина оболочки, ti - приведенная толщина ребра.

- для напряжений

&mx=mfll + М(М) бшш=т(М> :

"Продольная сила вдоль образующей ствола Ni(f}9) в расчетах 'не учитывалась в силу ее несущественного влияния на напряженное состояние крепи.

Рассмотренная в аналитических исследования): модель крепи представляет собой неразрозную конструкцию. Реальная конструкция

крепи ствола является сборной, состоящей из отдельных блоков, которые имеют радиальные и кольцевые стыки. .В силу этого в работе решалась задача экспериментального исследования влияния стыковых соединений на напряженно-деформированное состояние конструкции.

Целью экспериментальных исследований являлась сравнительная оценка несущей способности ребристых.блоков крепи в безстыковом и стыковом вариантах для последующего сравнения с результата!™ аналитических исследований и обоснования возможности представления конструкции крепи в виде жесткой системы в окружном направлении.'

Методика исследования предусматривала замер относительных деформаций и смещений в контрольных точках ребер испытуемой крепи и пересчет их по формуле внецентренного сжатия на фактические значения расчетных изгибающих моментов и продольных сил вплоть до разруления конструкции. Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде лаборатории подземных сооружений-НИШосстроя.

Основными частями испытательного стенда являлись: силовая плита, рабочий стол, две опорные тумбы,, траверса, две вертикальные тяги, силовой гидродомкрат с маслостанцией и манометр.

Силовым элементом стенда служил гидравлический домкрат, развивающий усилие до 100 т.е.

Нагрузка на испытываемую конструкцию определялась по показателям манометра силового гидродомкрата путем пересчета.

Стендовые испытания проводились для трех вариантов фрагментов сборной временной крепи стволов. Каждый фрагмент в собранном виде представлял собой участок крепи по длине, соответствующей - 1/5 части кольца крепи ствола диаметром 4,0 м в свету.

По первому варианту фрагмент крепи был выполнен в виде части цилиндрической ребристой конструкции без стыкового соединения. Крепь представляла собой сварную металлическую конструкцию общей длиной по дуге окружности ствола 2725 мм и шириной 752 мм, имеющую несущий каркас из четырех горизонтальных и шести вертикальных ребер и ограждающую стенку.

Второй и третий варианты фрагментов крепи представляли две части аналогичной ребристой конструкции, соединенные между собой пятью болтами. Различие между ними заключалось в геометрии (конструкции) стыка. В первом случае ребра стыка были перпендикулярны плоскости кольца крепи, а во втором - наклонены к ней под углом 70°.'

Фрагменты крепи размещались на рабочем столе выпуклостью вверх и пятами вниз.-Была принята схема жесткого закрепления пят, исключающая их повороты и перемещения. Нагружение испытываемых фрагментов крепи проводилось кусочно-распределенной нагрузкой. Центр нагрузки совпадал с вертикальной осью фрагментов.

Измерительная тезометрическая сеть состояла из заданного количества рабочих тензодатчиков, наклеенных в контрольных точках испытываемого фрагмента крепи.

Всего проводилось пять циклов нагружения каждого варианта фрагмента крепи соответственно на 20,40,60,80 и 100$ от контрольной нагрузки. Пятый цикл по достижении 100$ от контрольной нагрузки- продолжался вплоть до разрушения фрагмента, причем каждая последующая ступень нагружения увеличилась не более чем на 5%.

Анализ полученных экспериментальных данных позволил сделать вывод, что максимальные относительные деформации наблюдаются в зоне приближенной к центральной и опорной частям фрагмента крепи на внешних и внутренних волокнах ребер. При этом наибольшие значения деформаций приблизительно соответствуют уровню разрушающей нагрузки.

» Данные измерений позволили выявить волнообразный характер прогибов каркаса с максимумом в Слгере, составившем в1среднем '36 мм, при нагрузке, близкой к разрушавдей.

Сравнительная оценка несущей способности ребристой крепи по трем вариантам представлена в виде графиков распределения относительных деформаций по длине ребер

Из анал--"Ьа экспериментальных данных, представленных на графиках, следует, что при испытаниях фраменгов крепи с различными стыками наблвдается однотипный характер относительных деформаций ребер в контрольных, точках. Абсолютные значения исследуемых параметров отличаются не более чем на 30%. Это свидетельствует о том, что применяемые конструкции стыков мало влияют на несущую способность крепи. Поэтому в расчетах блочное кольцо крепи ствола можно принимать в виде неразрезной системы постоянного сечения. В этом случае для исследования напряженно-деформированного состояния блочной конструкции крепи стволов неглубокого заложения Применим разработанный во второй главе диссертации метод расчета на основе моментной теории тонких круговых цилиндрических оболочек.

Результаты экспериментальных исследований сравнивались с результатами аналитических расчетов несущей'способности блочной

крепи на основе решений методом строительной механики стержневых систем. В соответствии со схемой испытания блока крепи ближе всего для расчета подходят две расчетные схемы: в виде беспарнирной и двухшаркирной арок, загруженных кусочно-распределенной нагрузкой.

Сравнение результатов расчета несущей способности блока, перемещенный его замковой точки и напряжений в ребрах с результатами замеров при стендовых испытаниях полазали их достаточно хорошую сходимость. Расхождения не превышали 185?. Результатом экспериментальных исследований является также вывод о достаточно высокой работоспособности испытываемых конструкций стыков. При нагрузках, близких к разрушающим, не наблюдалось существенных деформаций ребер стыка, разрывов сварных соединений ребер стыка с горизонтальными ребрами и нарушений болтовых соединений.

На основании проведенных аналитических и экспериментальных исследований, а также с учетом сформированных выше- технических требований к конструкциям крепей стволов мелкого заложения была разработана конструкция крепи. Предлагаемая конструкция крепи состоит из ребристых блоков, опорной рамы, верхнего и нижнего опорных колец и крепежной арматуры.

Основным элементом конструкции является металлический ребристый блок, который представляет собой изогнутую по дуге окружности часть кольца прямоугольной формы высотой 75 см. Блоки состоят из ограждающей стенки - тонкой круговой цилиндрической оболочки и каркаса ребер. Ограждающая стенка блока изготавливается из цельного металлического листа расчетной толщины.

Ребра каркаса делятся на кольцевые горизонтальные ребра стыка (кольцевые ребра жесткости), вертикальные (направленные вдоль оси ствола) ребра стыка и промежуточные горизонтальные и вертикальные ребра.

Горизонтальные ребра стыка могут выполняться из любого вида прокатного профиля.- В предлагаемой конструкции блока применяются сварные трубы прямоугольного сечения. Такой профиль закрытого типа, как показали исследования, обеспечивает высокие осевые моменты сопротивления изгибу как в плоскости кольца, так и в плоскости продольной оси ствола, и высокие моменты сопротивления кручению.

Вертикальные ребра стыка и промежуточные горизонтальные и вертикальные ребра выполняются из металлических пластин.

Соединение элементов блока - ограждающей стенки и ребер каркаса осуществляется сваркой.

Для соединения блоков в кольцо и смежных колец между собой в каждом горизонтальном и вертикальном ребрё стыка имеются три отверстия эллиптической формы. Для придания большей жесткости соединению блоков в радиальном направлении отверстия в вертикальных ребрах стыка выполнены в шахматном порядке. Б качестве крепежных элементов используются болты диаметром 14 мм. Нулевая рама представляет собой сборно-разборную конструкцию, состоящую из опорной части и двух швеллерных колец.

Верхнее швеллерное кольцо соединяется с нулевой рамой и нижним' швеллерным кольцом с помощью фигурных пластин и шпилек. При этом каждый сегмент верхнего и нижнего колец стягиваются шпильками не менее чем в трех местах. Таким образом, образуется еденный жесткий рамный каркас, который обеспечивает подвеску к нему блочного става крепи.

£ диссертационной работе была проведена оптимизация параметров разработанной крепи. Оптимизируемыми параметрами являются: t - шаг установки кольцевых горизонтальных ребер;

'А - толщина ограждающей стенки блока.

Критерием рациональности эт»*.: параметров является обеспечение максимальной несущей способности при более низкой материалоемкости по сравнению с металлодеревянной инвентарной крепью. При этом значения параметров крепи должны быть увязаны с технологией проходки и крепления стволов мелкого заложения.

К парак^рам, задаваемым технологическими требованиями, относятся габаритные размеры блока: высота блока, длина блока по дуге окружности.

Определение шага установки ребер и толщины стенки производится в соответствии с методикой расчета крепи в виде цилиндрической тонкой оболочки, усиленной кольцевыми ребрами жесткости, разработанной в теоретической части.

Алгоритм расчета предусматривает поэтапно-? задание оптимизируемых параметров крепи, вычисление усилий и напряжений в опасных сечениях и последующую проверку прочности.

Исследованы зависимости максимальных напряжений, действующих в ограждающей стенке крепи, по двум взаимо перпендикулярным направлениям от шага между кольцевыми ребрами жесткости и толщины ограждающей стенки. ♦ ,

- и -

Оптимальный шаг кольцевых ребер жесткости в крепи соответствует удовлетворению условия прочности'в каком-либо одном направлении при наименьшем запасе прочности в другом.

- В связи с тем, что крепь в виде системы тонкостенных оболочек обладает больной гибкостью, возникает опасность потери устойчивости. Поэтому в работе выполнен расчет ограждающей стенки блока на потерю устойчивости. В качестве модели ограждающей стенки и расчетной схемы для определения устойчивости оболочки взята пластина, усиленная по центру ребром жесткости и шарнирно опертая по торцам. Расчет проводился по формуле Галеркина.

В результате расчета было установлено, что выбранные параметры блочной крепи удовлетворяют критерию устойчивости'по Га-леркину.

Для предложенной конструкции крепи были разработаны три технологические схемы возведения. Выбор схемы определяется инженерно-геологическими условиями,проходки ствола.

Первая схема соответствует условиям проходки стволов в кратковременно устойчивых грунтах, таких как моренные суглинки, аллювиальные и флювиоляцнонные пески и супеси естественной влажности. Основная особенность этой схемы - последовательное возведение блочной крепи сверху вниз.

Вторая схема соответствует условиям проходки ствола в устойчивых грунтах естественной влажности, таких, например, как глины, либо в условиях, когда возможно сооружение котлована со стенками, располагаемыми под углом естественного откоса. Эта схема предусматривает сборку большей части става крепи на поверхности с последующим опусканием собранной конструкции в ствол.

Третья схема предназначена для работы в неустойчивых водона-сыщенных грунтах, требующих интенсивного водоотлива или предварительного водопонижения. Она основана на методе опускного колодца. Опускание крепи по данной схеме осуществляется с использованием дополнительной пригрузки.

Для оценки эффективности предлагаемой креш^ облегченной ребристой блочной конструкции проведен технико-экономический анализ сравнения новой крепи с инвентарной металлодеревянной крепью. Проведенный анализ показал, что новая крепь только за счет экономии материала, снижения трудоемкости возведения и увеличения коэффициента повторного использования обеспечивает достижение расчетно-

- г5 -

го экономического эффекта в размере 135 тыс.руб./п.м. (в ценах .1994 г.).

Новая конструкция крепи стволов принята к изготовлению и внедрению на объектах .Акционерного общества горнопроходческих работ № 3. Разработанная "Методика прочностного расчета облегченной ребристой блочной крепи стволов мелкого заложения" принята для использования проектным институтом "Мосинжпроект".

\

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи разработки облегченной ребристой блочной конструкции и пространственного метода расчета крепи стволов мелкого залояе-ния, oбecпeчlfвaю!циx уменьшение материалоемкости крепи и возможность многоразового использования.

Основные научные и практические результаты исследования заключаются в следующем:

1. При строительстве стволов мелкого заложения с целью обеспечения необходимо несущей способности и уменьшения материалоемкости крепь целесообразно выполнять в виде периодической системы кольцевых ребер жесткости, соединенных между собой тонкостенными цилиндрическими круговыми оболочками.

2. Расчет крепи следует выполнять в два этапа. На первом этапе производится расчет кольцевых ребер жесткости по плоской расчетной схеме путем приравнивания моментов инерции сечерй колец жесткости и полосы постоянной толщины. На втором этапе определяется напряженно-деформированное состояние тонкой оболочки с использованием моментной теории коротких цилиндрических оболочек Власова В.З.. Расчет кольце та ребер жесткости и оболочки следует производить по формулам (I), (4), (5), (6).

3. Толщина ограждающей стенки блока определяется на основе установленных закономерностей напряженно-деформированного состояния оболочки в зависимости от величины и неравномерности действующей нагрузки, радиуса срединной поверхности крепи-оболочки и прочностных характеристик материала. Оптимальный шаг кольцевых ребер жесткости в крепи соответствует удовлетворению условия прочности в каком-либо одном направлении при наименьшем запасе прочности в другом.

4. На основании экспериментальных исследований показано, что стыковые соединения блоков в радиальном и продольном направлениях следует выполнять в виде'плоских фланцев, соединенных между собой болтовыми связями, расположенными в шахматном порядке, при этом несущая способность и жесткость кольца блочной крепи близка несущей способности и жесткости неразрезного кольца аналогично!; конструкции.

5. Крепление стволов мелкого заложения с использованием об-легп»шго;: ребристо:": оболочкой крепи необходимо производить по

- Г/ -

трем технологическим схемам, соответствующим разным инженерно-геологическим условиям строительства: последовательной схеме сверху вниз; способом укрупненной сборки; способом опускного колодца.

6. Разработанный метод расчета рациональных параметров крепи вошел в "Методику прочностного расчета облегченной ребристой блочной крепи стволов мелкого заложения", которая передана институту "Мосинжпроект" Главархитектуры и принята к использованию им при проектировании стволов на объектах Акционерного общества горнопроходческих работ JS 3. Расчетный экономический эффект составляет 135 тыс.руб./п.м. в ценах 1994 г.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мтдуков С.А., Решегняк A.M., Левицкйй A.M. О новой конструкции временной сборной крепи неглубоких вертикальных стволов// Строительство подземных сооружений и шахт: Сб.научн.трудов. - М.: МГИ, 1992, с.35-41.

2. Мишуков С.А. Совершенствование конструкции сборной временной крепи неглубоких стволов шахт: новые технические решения// Подземные сооружения: эффективно Jib, качество и стоимость строительства: Альманах научно-технической информации. Приложение к журналу "Подземное строительство мира". -М.: ТИМР, 1993, с.43-45.

3. Мишуков С.А. Стендовые испытания блочной временной металлической крепи стволов шахт неглубокого заложения// Строительство подземных-'сооружений' и шахт: Сб.научн.трудов. - М.: МГИ, 1994, с.21-25.

4. Решение ВНИИГП о выдаче охранного документа от 03.01.92г. № 4949680/03/0535881 "Временная крепь стволов шахт"/ С.А.Мишуков, В.И.Курносов. А.М.Решетняк и др.

Подписано в печать 19.07.94. Формат 60x90/16. Объем I печ.л. Тираж 100 экз. Заказ № 933

Типография МГГУ. Ленинский проспект, 6