автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Технология армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива

0&

\\0ft

На правах рукописи

Страданченко Сергей Георгиевич

ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА УЧАСТКАХ ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОРОДНОГО МАССИВА

05.15.04 "Строительство шахт и подземных сооружений"

Автореферат диссертации на соискание ученой степеии кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор Ягодкин Ф.И. Научный консультант - канд. техн. наук, доцент Резниченко А.И.

Официальные оппоненты

докт. техн. наук, проф. Федуиец Б.И.

канд. техн. наук Савин И.И.

Ведущее предприятие:

АО "Ростовшахтострой"

Защита диссертации состоится " 3 " 1993 г в -¿^¡асов на

заседании диссертационного совета Д 063.<Ш)1 пр<! Тульском государственном университете по адресу; 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный корпус 9, аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного сове' докт. техн. наук, проф.

_рГ. Сидоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дальнейшее развитие угольной промышленности России связано с усложнением условий строительства и эксплуатации горных ыработок, в том числе вертикальных шахтных стволов и их армировки. Арми-овка занимает значительное место в комплексе ствола, являясь связующим веном между его крепью и подъемными сосудами.

Рост глубины и производственной мощности шахт обусловили необхо-имость существенного повышения вместимости и скорости движения подъемах сосудов, что привело к резкому увеличению динамических нагрузок на ар-тровку.

В связи с этим актуальное значение приобрела проблема обеспечения [адеяшой работы и безопасной эксплуатации армировки и подъемных ком-шексов.

Еще большую актуальность эта проблема имеет для эксплуатации ство-юв на участках деформирующегося околоствольного массива. В этих условиях срепь ствола испытывает повышенные нагрузки, которые отрицательно сказы-заются на работе системы "крепь - армировка - подъемный сосуд".

По данным ВНИМИ, в странах СНГ в настоящее время насчитывается эколо 200 шахтных стволов с нарушениями крепи и армировки по различным причинам.

Нарушения крепи и армировки происходят от воздействия различных факторов, основными из которых являются: деформации окружающих ствол пород при осушении, влияние очистных работ, приствольных выработок и камер, пересечение стволом зон старых горных работ и геологических нарушений.

В настоящее время защита армировки вертикальных стволов в таких условиях осуществляется путем устройства различных компенсирующих узлов и конструктивных решений, позволяющих производить ремонт в период эксплуатации стволов.

Однако применяемые решения не всегда обеспечивают надежную работу подъемных комплексов. Одной из причин сложившейся ситуации следует считать отсутствие научно-обоснованного подхода к проектированию армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива.

Поз тому обеспечение надежной работы жесткой армировки вертикальных шахтных стволов в сложных условиях является актуальной научно-технической задачей в области строительства шахт и подземных сооружений. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы. Разработка научно-обоснованной методики проектирования технологии армирования вертикальных стволов па участках деформирующегося породного массива, обеспечивающей безремонтную эксплуатацию армировки и определение области ее применения.

Идея работы - обеспечение эффективной технологии армирования и безремонтной эксплуатации армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива достигается применением пространственных конструкций с разрывом связи в системе "крепь — армировка".

Метод исследования - комплексный, включающий системный анализ и обобщение известных технических решений в области армирования вертикальных стволов в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния узлов армировки, технико-экономический анализ и опытно-промышленная проверку результатов исследований. Расчеты выполнялись с использованием современного программного обеспечения к IBM PC.

Научная положения, разработанные лично автором, и их новизна:

- установлено, что обеспечение безремонтной эксплуатации армировки в случаях, когда компенсирующие устройства жесткой армировки не реализуют защиту армировки вследствие исчерпания пределов регулирования, несовпадения вектора усилий с осью податливости или потери устойчивости крепи может быть достигнуто разрывом связи в системе "крепь - армировка" путем применения пространственных конструкций с их опиранием вне зоны прогнозируемых нарушений;

- установлено, что область применения пространственных конструкций определяется величиной прогиба среднего яруса конструкции по критерию прочности или условию кинематической связи между проводниками и направляющими устройствами подъемных сосудов. Величина прогиба описывается полипомом второй степени и зависит от высоты конструкции армировки, скорости движения и массы подъемного сосуда;

- разработаны методические основы проектирования пространственных конструкций армировки и технологии ее монтажа на участках деформирующегося породного массива.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается применением современных методов численного моделирования, апро-

Зированного программного обеспечения ЭВМ, инженерно-техническими про-заботками и проектными решениями, результатами опытной проверки предло-кенных технических решений на натурных объектах.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей лзменения напряженно-деформированного состояния пространственных конструкций армировки н зависимости от их высоты, массы подъемного сосуда, скорости его движения, схемы армировки и обосновании тезиса "обеспечение безремонтной эксплуатации жесткой армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива достигается путем разрыва связи в системе "крепь - армировка" с устройством пространственных конструкций".

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методических основ проектирования пространственных конструкций армировки на участках деформирующегося породного массива, обеспечивающих безремонтную эксплуатацию армировки вертикальных стволов;

- разработке технологических схем армирования стволов в указанных выше условиях;

- определении области применения предлагаемых пространственных конструкций и технологических схем.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Промышленная проверка технологии армирования была осуществлена на участке сопряжения вентиляционного ствола № 8 с гор. - 986 м на шахте им. Стаханова ГХК "Селидовуголь".

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на ХЬУ, XI .VI научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 1996-1997 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании "Росугодь" "Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов" (г. Шахты, 1996 г.), Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), заседаниях технических советов АО "Ростовшахтострой" (г. Шахты, 1997 г.) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 1997 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.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и

maxi и кафедры сопротивления материалов, строительной и прикладной механики Новочеркасского государствен нот технического университета (г. Новочеркасск, 1997 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и трех приложений, содержит 101 страницу машинописного текста, 28 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы из 65 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современный уровень научных и инженерно-технических знаний об армировании аертикальных о полон и передовой опыт технологии армирования накоплен в результате работ, исследований и внедрений, проведенных крупными отечественными учеными и инженерами.

Существенный вклад в разработку новых средств и технологии армирования, а также совершенствование схем и конструкций армировки вертикальных стволов внесен работами Ф.И. Ягодкина, И.В. Баклашова, Б.И. Федунца, И.Б. Доржинкевича, Н.Г. Гаркуши, А.Е. Гавруцкого, И.Г. Горенцвейга, O.A. За-лесова, A.M. Козела, В.К. Куриленко, В.В. Левита, В.А. Прагера, A.A. Репко, И.С. Стоева, В.Ф. Филатова, A.A. Храмова, Н.К. Шафранова и других ученых.

В результате анализа данных, опубликованных в научно-технических изданиях, полученных из отчетов НИР, проектов производства работ по восстановлению участков стволов с нарушениями крепи и армировки, фактического осмотра нарушенных стволов были выявлены основные причины нарушений крепи и армировки вертикальных стволов и степень их влияния в нарушении крепи и армировки.

В большинстве случаев нарушения крепи и армировки стволов происходят при влиянии одновременно нескольких причин, основными из которых являются влияние очистных работ и приствольных выработок, а также неблагоприятные условия в зонах пересечения старых горных работ и геологических нарушений.

Анализ данных показал, что 70 % нарушенных участков стволов по различным причинам имеют размеры в пределах 10 - 30 м. Поэтому рассматриваем нарушенные участки высотой до 30 м.

В основу всех известных технических решений по конструктивной ощите армировки положен принцип компенсации деформаций в системе 'крепь - армировка". В случае любых нарушений крепи и армировки, если только ствол но техническим причинам не перестает функционировать, связь в :истеме "крепь - армировка" остается неразрывной.

Однако, известные способы защиты армировки вертикальных стволов от влияния деформирующейся крепи имеют ряд существенных недостатков:

- компенсирующие конструкции требуют принудительной регулировки, что крайне затруднительно в условиях эксплуатируемого ствола;

- они не обеспечивают надежной защиты армировки в случаях, если возникающие деформэции превышают пределы регулируемости, предусмотренные конструкцией; векторы возникающих усилий не совпадают с направлением податливости конструкции; происходит нарушение устойчивости крепи и заделки расстрелов.

Для обеспечения работоспособности армировки на участке деформирующегося породного массива предлагается новый способ защиты жесткой армировки - применение пространственных конструкций с разрывом связи в системе "крепь - армировка".

В соответствии с поставленной целью обеспечение работоспособности армировки достигается разрывом связи в системе "крепь - армировка" на участке деформирующейся крепи путем устройства пространственных конструкций с опиранием вне зоны нарушений.

Предлагаемое техническое решение может быть выполнено в зависимости от интенсивности работы подъема и протяженности (высоты) участка в двух исполнениях: в виде плоскопараллельных рам или пространственных конструкций.

Конструкция из плоскопараллельных рам (рис. 1) состоит из опорных расстрелов 1, устанавливаемых вне нарушенного учаегка ствола, вертикальных стоек 2, предназначенных для опираиия промежуточных расстрелов 3. К промежуточным расстрелам крепятся проводники 4, Расположение промежуточных расстрелов совпадает с расположением расстрелов в обычных ярусах армировки. Шаг армировки сохраняется. Высота пространственной конструкции кратна шагу армировки.

Пространственная конструкция (рис. 2) состоит из аналогичных плоскопараллельных рам с дополнительными связями 5, повышающими жесткость и устойчивость конструкции в целом.

Рис. I. Схема конструкции армировки с опиранием вне участка деформирующегося массива в виде плоских рам

Рис. 2. Схема пространственной конструкции армировки ствола с опиранием вне участка деформирующегося массива

В диссертационной работе произведено исследование напряженно-деформированного состояния армировки виде плоскопараллельных рам.

Целью исследований является установление закономерностей изменения величины прогиба среднего яруса пространственной конструкции армировки в зависимости от ее высоты, типоразмера и скорости движения подъемного сосуда для определения области применения пространственных конструкций армировки с различными конструктивными параметрами.

Исследование работы конструкции было выполнено, используя метод конечных элементов. Конечно-элементный анализ выполнен с использованием вычислигельного комплекса "ЗЕНИТ". Конечно-элементная модель представлена на рис. 3.

Расчет прогиба среднего яруса пространственной конструкции произведен с помощью МКЭ для из клетей, движущихся со скоростью от 0 до 12 м/с с шагом в 1 м/с при высоте пространственной конструкции от 12,5 до 31, 25 м. В результате произведенных расчетов была определена величина максимально

прогиба среднего яруса конструкции армирован в виде гоюскопараллелыюй рамы по условию прочности - [ С ] ~ 0,015 м.

4

Для полученных значений величин прогибов среднего яруса пространственной конструкции армировки подобраны аппроксимирующие выражения зависимости величины прогибов конструкции С от скорости движения клетей V и высоты конструкции армировки Н вида С =/(Т, Н).

15

16 17

22

Величина прогиба среднего яруса конструкции описывается полиномом второй степени и зависит от высоты конструкции и скорости движения клетей.

35

36

На основе существующих нормативных Рнс 3 Конечно-элементная мо-документов по расчету и проектированию же- дель пространственной конструкции армировки

сткои армировки вертикальных стволов шахт разработаны методические основы расчета

прос гранственной конструкции армировки, отличительной особенностью которой является опирание расстрелов на вертикальные стойки, допускающие перемещение в направлении приложения нагрузки.

Методические основы расчета пространственной конструкции армировки на участках деформирующегося породного массива включают в себя расчет параметров жесткости опорных и промежуточных расстрелов, а также напряжений в элементах армировки и прогибов проводников.

Алгоритм расчета пространственной конструкции армировки представлен в табл. 1.

Для определения области применения пространственных конструкций армировки использованы зависимости величины прогиба среднего яруса конструкции армировки в виде плоскопараллельной рамы от ее высоты и скорости движения подъемного сосуда. 11о указанным выражениям построены графические изображения зависимостей С =/(V, II) в виде поверхностей.

Один из графиков (для клети 1НОВ255-3.2) приведен на рис. 4.

На построенных графиках строим плоскость максимально прогиба среднего яруса конструкции армировки в виде плоскопараллельной рамы по условию прочности [ С ] = 0,015 м.

Таблица 1

Алгоритм расчета пространственной конструкции армировки

Определяемый параметр

Расчетная формула

Определение параметров жесткости Лобовая жесткость несущего расстрела

Гл =_2_ Ш

вместе крепления стойки А _я т + о '

°о„ °о,л 1 о, 2 з п

в мес ге крепления проводника

С\ =-

Боковая жесткость промежуточ-

________________________п

1,35 Е

ного расстрела о0(1-я0) ^ г. , . , 2\ ^

Лобовая жесткость промежуточ-

ного расстрела

Безразмерные параметры лобовой и боковой жест: и проводнику 1

С. =-

Зх -¿о,хI

б/-/:'

и боковой жесткости по стойке /1 _-

13С4п

6Е1'

аг

1К'

а,. =

Г, ¡3 СА .

Безразмерные параметры лобовой и боковой жесткости системы "подомный сосуд - армировка" для стойки и проводника

«V =«,

' с 4

V

1+-

С

а, =

а,

а, =а.

РсЛ

р.

( Сп \

ах 1 + Р,;

С

V пс, У

( ср л

«т 1 + Рг

с

ПС

Общие жесткости расстрелов с = ¡п с

р. -у Р,, р,, '

Относительная средняя лобовая ( жесткость проводников

1,5501ехр(- 0,85851ц(а ')), при а< 1

32а

е =ц-

Ч 3 '

при а> 1

Приведенные относительные лобовая и боковая жесткости систе- е мы

1 + —■

С..,

Параметр неоднородности дефор- С е

Р = х

мационных характеристик

с

Продолжение табл. 1

Определяемый параметр

Расчетная формула

Определение силовых параметров

Горизонтальная лобовая нагрузка Гори ¡октальная боковая нагрузка

е Гу.

15Д ,К]тУг

Ьг-г,-

при: нагр\зок

Безразмерные координаты точек ^ = 0даЛ V + 0,0463(1Ва 1)" приложения лооовои и боковой ' V» / /

-0,0717,

^ = 0,0384(1ёа-1)3 +0,0466(18£Г')2 + + 0,043(^<аГ') - 0,0011, ^ = 0,14(16а_7 + 0,4827(1ёеГ1)2 +

+ 0,137(^0"')-0,0103.

при — = О

А

при — = 0,5 Д

А* .

при — = 1 А

Коэффициенты сочетания нагрузок во времени

Изгибающие моменты

К.. =1-

К, =1-

М = —=

1--

1

' с. е.

М, =-

Р..

Ргр*.

Тангенциальные напряжения в точках приложения лобовых нагрузок

Нормальные напряжения в точках приложения боковых нагрузок:

Величина прогиба проводников для 1 ипоразмеров клети: 1НОВ520-15.0 1НОВ400-9.0 ИЮВ360-6.0

Ь хп

С= 0,059 - 0,009 V— 0,005Я + 9,983-10"Я2, С = 0,027 - 0,006 V-О.ООЗЯ + 6,474-10"5//2, С = 0,025 - 0,004К - 0,002Н+ 4,33-10"5Я2,

Продолжение табл. 1

Определяемый параметр

Расчетная формула

1НОВ255-3.2

2НОВ520-15.0

2НОВ400-15.0 2НОВ360-11.5

С = 0,015 - 0,002 V- 0,001Я+ 9,961 • 10"5V2 + + 2,736- Ю-5//2,

С = 0,102 -0,015 К- 0.009Я+ 0,001 V2 + + 0,001 УН,

С = 0,07 - 0,01 Г- 0,006Н, С = 0,037 -0,008К- 0,004Я+8,001-10"5Л2,

Анализ построенных графиков показывает, что величины прогибов среднего яруса конструкции в виде плоскопараллелыюй рамы до определенных значений скорости движения клетей и высоты конструкции не превышают величины максимального прогиба [ С ]. Для большинства клетей это значение скорости составляет, в среднем, 4 - 5 м/с, а высоты конструкции - 12,5 м. С такой скоростью клети движутся на участках конечных сопряжений вертикаль-

Рис. 4. График зависимости величины прогиба пространственной конструкции ар-мировки от ее высоты и скорости движения клети 1НОВ255-3.2

Рис. 5. Технологическая схема монтажа пространственной конструкции армировки

ных стволов с приствольными выработками, высота которых достигает 10-12 м. Прогибы армировки на таких участках позволяют применять конструкции армировки в виде плоскопараллельных рам. На протяженной части стволов скорость движения клетей достигает 10-12 м/с, а высота нарушенных участков - 20 - 30 м. В этих случаях происходит превышение величины максимального прогиба и тогда для обеспечения безремонтной эксплуатации армировки на участках деформирующегося породного массива, расположенных в протяженной части стволов, уже необходимо устраивать пространственные конструкции армировки с межрамными связями.

Для возведения пространственной конструкции армировки разработана технологическая схема, предусматривающая основные процессы монтажа ар-мировки на участках деформирующегося породного массива: бурение лунок, установка опорных расстрелов, сболчивание вертикальных стоек, установка промежуточных расстрелов, навеска проводников (рис. 5).

Для экономической''оценки разработанной технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося массива были рассчитаны величины трудозатрат,'"материалоемкости и стоимости возведения 1 м пространственной конструкции армировки в зависимости от ее высоты. Высота конструкции принималась от 6,25 м до 31,25 м с интервалом в 3,125 м.

Анализ полученйых данных показывает, что с увеличением высоты деформирующегося участка ствола уменьшаются величины удельных трудозатрат, материалоемкости и; стоимости возведения предложенной конструкции армировки. "'; * [

Удельная трудоемкость возведения пространственной конструкции армировки меньше, чем у традиционной армировки, и с увеличением ее высоты снижается. Это достигается за счет сокращения числа устанавливаемых в крепи ствола расстрелов. Но удельные материалоемкость и стоимость пространственной конструкции армировки выше, чем соответствующие показатели традиционной армировки. При этом, следует учитывать то, что при ремонте нарушенной армировки на участках деформирующегося массива приходиться затрачивать средства и материальные ресурсы, стоимость которых равна капитальных затратам на армирование.

Сокращение удельной материалоемкости составит не менее 0,257 т/'м; удельной стоимости 1,244 тыс. руб/м.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научным трудом, в котором на базе выполненных автором теоретических исследований изложены научно-обоснованные технические, технологические и экономические разработки, обосновывающие решение важной прикладной задачи - совершенствование технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива путем применения пространственных конструкций армировки, обеспечивающих ее безремонтную эксплуатацию.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем: ., _

1. Установлена закономерности изменения величин прогибов среднего яруса пространственной конструкции армировки вертикальных стволов; выяв-

лен нелинейный: характер связи указанных величин в зависимости от скорости движения подъемных сосудов и высоты пространственной конструкции арми-ровки; получены выражения для расчета значений величин прогибов конструкции армировки.

2. Разработаны принципиальные схемы жесткой армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося массива в виде пространственных конструкций с опиранием вне зоны нарушений.

3. Разработаны методические основы расчета и проектирования указанных конструкций.

4. Определена область применения предлагаемых конструкций.

5. Разработана технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива.

6. Произведена успешная опытно-промышленная проверка основных результатов исследований в условиях ствола № 8 шахты им. Стаханова ГХК "Се-лидовуголь".

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лунов Э.П., Страданчепко С.Г. Причины нарушения крепи вертикального ствола// Совершенствование разработки угольных месторождений: Сб. науч. тр. - Шахты: Ростовское научно-производственное изд-во "Недра". -1994.-С. 198-202.

2. Страданчепко С.Г. Армирование стволов в сложных горно-геологических условиях// Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных месторождений: Тез. докл. к научной конференции Шахтинского ин-та НГТУ. 21-27 апреля 1995 г. Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. ун-т., 1995, - С. 45-46.

3. Ягодкин Ф.И., Страданченко С. Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий// Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр./ Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. - С. 18 - 24.

4. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива// Прохождение вертикальных стволов, о ко; ю ствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт: Тез. докл. науч.-произв. конф. шахты, 12 - 14 июня 1997 г./ Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997. - С. 14.

5. Страданченко С.Г. Защита жесткой армировки вертикальных стволов на участках активного горного давления // Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: НГТУ, 1997. - С. 229 -

' 234.

6. Страданченко С.Г. Способ защиты жесткой армировки вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива// Научно-технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ,

1997. -С. 234 - 239.

7. Резниченко А.И., Страданченко С.Г. Расчет и проектирование армировки шахтных стволов при локальных нарушениях сплошности горного массива: Тез. докл. Медународ. науч.-практ. конф. Ростовского государственного строительного университета - Ростов-на-Дону: РГСУ. - 1997. - С. 43 - 44.

8. Страданченко С.Г. Расчет армировки вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива. Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб. научн. тр. / Компания "Росуголь", акционерное общество "Ростовшахтострой"; Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТУ,

1998.-С. 63-73.

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Новочеркасский государственный технический университет

На правах рукописи

СТВОЛОВ ШАХТ НА УЧАСТКАХ ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОРОДНОГО МАССИВА

Специальность 05.15.04 - "Строительство шахт и подземных

сооружений"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ф.И. Ягодкин Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент А.И. Резниченко

Новочеркасск 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание......................................................................................................2

Введение...........................................................................................................4

1. Анализ современного состояния способов защиты жесткой армировки вертикальных стволов и задачи их совершенствования.........10

1.1. Анализ эксплуатации вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях...................................................10

1.2. Характер нарушений крепи и армировки стволов......................14

1.3. Анализ известных способов защиты жесткой армировки вертикальных стволов от проявлений горного давления..........18

1.4. Анализ современных исследований в области защиты армировки....................................................................................26

1.5. Задачи и цели исследований........................................................27

2. Технические требования к пространственной конструкции армировки. Основные конструктивные решения......................................29

2.1. Технические требования..........................:...-........-.......................29

2.2. Основные конструктивные решения...........................................32

Выводы................................................................................................37

3. Исследование напряженно-деформированного состояния пространственной конструкции армировки вертикальных стволов

на участках деформирующегося породного массива................................38

Выводы................................................................................................50

4. Разработка методических основ расчета пространственной конструкции армировки вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося породного массива....................................................51

4.1. Постановка задачи........................................................................51

4.2. Определение параметров жесткости...........................................54

4.3. Определение силовых параметров..............................................58

4.4. Расчет из условия ограничения прогиба проводников...............64

Выводы.......................................................................-.......................69

5. Определение области применения пространственных

конструкций армировки..............................................................................70

Выводы................................................................................................78

6. Технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося породного массива....................................................79

6.1. Разработка технологии армирования стволов шахт...................79

6.2. Промышленная проверка технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива......................................................................84

Выводы................................................................................................85

7. Экономическая оценка разработанной технологии..................................86

Выводы................................................................................................90

Заключение......................................................................................................92

Список литературы........................................................................................95

Приложение А. Исходные данные для расчета пространственной конструкции армировки ВК "Зенит"........................................ 102

Приложение Б. Результаты расчета пространственной конструкции

армировки ВК "Зенит"......................................................... 108

Приложение В. Акт проведения промышленной проверки жесткой армировки в виде плоской пространственной конструкции армировки..................................................................... 109

ВВЕДЕНИЕ

Дальнейшее развитие угольной промышленности в России связано с усложнением условий строительства и эксплуатации горных выработок, в том числе вертикальных шахтных стволов и их армировки. Армировка занимает значительное место в комплексе ствола, являясь связующим звеном между его крепью и подъемными сосудами.

Рост глубины и производственной мощности шахт обусловили необходимость существенного повышения вместимости и скорости движения подъемных сосудов, что привело к резкому увеличению динамических нагрузок на армировку.

В связи с этим актуальное значение приобрела проблема обеспечения надежной работы и безопасной эксплуатации армировки и подъемных комплексов.

Еще большую актуальность эта проблема имеет для эксплуатации стволов в условиях деформирующегося околоствольного массива. В этих условиях крепь ствола испытывает повышенные нагрузки, которые отрицательно сказываются на работе системы "крепь - армировка - подъемный сосуд".

По данным ВНИМИ, в странах СНЕ в настоящее время насчитывается около 200 шахтных стволов с нарушениями крепи и армировки по различным причинам /40/.

Нарушения крепи и армировки происходят от воздействия различных факторов, основными из которых являются: деформации окружающих ствол пород при осушении, влияние очистных работ, приствольных выработок и камер, пересечение стволом зон старых горных работ и геологических нарушений.

В настоящее время защита армировки вертикальных стволов в таких условиях осуществляется путем устройства различных компенсирующих уз-

лов и конструктивных решений, позволяющих производить ремонт в период эксплуатации стволов.

Однако применяемые решения не всегда обеспечивают надежную работу подъемных комплексов. Одной из причин сложившейся ситуации следует считать отсутствие научно-обоснованного подхода к проектированию армировки вертикальных стволов на участках с деформирующейся крепью.

Поэтому обеспечение надежной работы жесткой- армировки вертикальных шахтных стволов в сложных условиях является актуальной научно-технической задачей в области строительства шахт и подземных сооружений. Решению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы - разработка методических основ проектирования конструктивных решений и технологии армирования вертикальных стволов, обеспечивающих безремонтную эксплуатацию армировки в условиях деформирующегося породного массива, вмещающего ствол, и определение области их применения.

Под технологией армирования понимается совокупность конструкции армировки и основных процессов ее возведения.

Идея работы - обеспечение эффективной технологии армирования и безремонтной эксплуатации армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива достигается применением пространственных конструкций с разрывом связи в системе "крепь - армировка".

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий: системный анализ и обобщение современного состояния армирования вертикальных стволов в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях, теоретическое исследование напряженно-

деформированного состояния и расчет параметров узлов армировки, технико-экономический анализ. Для исследования напряженно-деформированного состояния армировки применяется метод компьютерного моделирования.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- предложен разрыв связи в системе "крепь - армировка" на участке деформирующегося породного массива путем устройства пространственных конструкций для обеспечения безремонтной эксплуатации армировки в тех случаях, когда компенсирующие устройства жесткой армировки не обеспечивают безремонтную защиту армировки вследствие исчерпания пределов регулирования, несовпадения вектора усилий с осью податливости или потери устойчивости крепи;

- разработаны конечно-элементные модели армировки вертикальных стволов с опиранием вне зоны деформирующегося породного массива, позволившие исследовать напряженно-деформированное состояние армировки;

- установлено, что область применения пространственных конструкций определяется величиной прогиба среднего яруса конструкции по критерию прочности или условию кинематической связи между проводниками и направляющими устройствами подъемных сосудов. Величина прогиба описывается полиномом второй степени и зависит от высоты конструкции армировки, скорости движения и массы подъемного сосуда;

- с учетом полученных зависимостей разработаны методические основы расчета пространственных конструкций армировки на участках деформирующегося породного массива.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

- защита армировки в условиях деформирующегося массива может быть обеспечена применением пространственных конструкций с их опирани-ем вне зоны прогнозируемых нарушений;

- работоспособность и надежность армировки в виде плоскопараллельных рам обеспечивается при их высоте до 12,5 м; при высоте более 12,5 м необходимо устраивать пространственные конструкции армировки с межрамными связями;

- величина возникающего под воздействием эксплуатационных нагрузок прогиба проводников, ограничиваемая критерием" прочности конструкции и условием кинематической связи между подъемным сосудом и ар-мировкой, максимально зависит от высоты пространственной конструкции армировки Я, скорости V и массы т движущегося подъемного сосуда и может быть аппроксимирована полиномом второй степени вида:

С А + ВН + СУ + О Н2 + ЕУ2,

где А, В, С, Д Е - параметры аппроксимации;

- металлоемкость пространственной конструкции армировки, трудоемкость и стоимость армирования зависят от высоты конструкции Н и наилучшим образом описываются уравнением вида:

Р = А-Н ~в,

где Р - технико-экономический показатель армировки (металлоемкость, трудоемкость, стоимость); А и В - параметры аппроксимации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается системным анализом современного состояния способов защиты жесткой армировки вертикальных стволов, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математи-

ческого моделирования и инженерно-техническими проработками и проектными решениями.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния пространственных конструкций армировки в зависимости от их высоты, массы подъемного сосуда, скорости его движения, схемы армировки и обосновании тезиса "обеспечение безремонтной эксплуатации жесткой армировки вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива достигается путем разрыва связи в системе "крепь - армировка" с устройством пространственных конструкций".

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методических основ проектирования пространственных конструкций армировки на участках деформирующегося породного массива, обеспечивающих безремонтную эксплуатацию армировки вертикальных стволов;

- разработке технологии армирования стволов в указанных выше условиях;

- определении области применения предлагаемых пространственных конструкций.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Промышленная проверка технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива была осуществлена в марте 1997 г. на шахте им. Стаханова ГХК "Селидовуголь".

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на ХЬУ, ХЬУ1 научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 19961997 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании "Рос-уголь" "Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов" (г. Шахты, 1996 г.), Международной научно-практической конференции Ростовского государственного строительного университета (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), заседаниях технических советов АО "Ростовшах-тострой" (г. Шахты, 1997 г.) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 1997 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.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и шахт и кафедры сопротивления материалов, строительной и прикладной механики Новочеркасского государственного технического университета (г. Новочеркасск, 1997 г.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и трех приложений, содержит 101 страницу машинописного текста, 28 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы из 65 наименований.

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛБНБ1Х СТВОЛОВ И ЗАДАЧИ ИХ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

1.1. Анализ эксплуатации вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях

Современные вертикальные стволы сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных горно-геологических условиях, влияющих на состояние крепи и армировки.

В сложных горно-геологических условиях, наблюдаются нарушения крепи стволов вследствие влияния деформаций вмещающих ствол пород. Как следствие, происходят нарушения жесткой армировки вертикальных стволов.

К таким причинам, влияющим на состояние ствола относятся: усадка обводненного массива пород вследствие его осушения, влияние очистных работ, пересечение стволом зон старых горных работ и геологических нарушений, влияние сопряжений стволов с околоствольными выработками и камерами и др. (рис. 1.1).

В результате обследования глубоких вертикальных стволов, выполненного в 1985 г. Украинским филиалом ВНИМИ, установлено, что 53 % из них имели различной степени повреждения крепи и армировки /37/.

В тяжелом состоянии эксплуатируются стволы, попадающие в зону влияния очистных работ. Влияние очистных работ имеет свои особенности в условиях пологого и крутого залегания вмещающих пород.

В условиях пологих пластов влияние очистных работ проявляется, в основном, в форме опорного давления при оставлении аре до хранительных целиков недостаточных размеров либо при проведении стволов в зонах остаточного опорного давления у старых очистных выработок. В этих случаях крепь испытывает вертикальные знакопеременные деформации, которые приводят к изменению расстояния между ярусами армировки и искривлению проводников.

Рис. 1.1. Влияние горно-геологических и горнотехнических условий на состояние вертикальных стволов: I - неустойчивые обводненные породы; II - зона влияния очистных работ; III - зона старых горных работ и геологических нарушений; IV - зона влияния приствольных выработок

Так, например, периодически (1974, 1977, 1981, 1986 гг.) происходили повреждения крепи и армировки ствола № 10 шахты им. Г. Димитрова ПО "Красноармейскуголь" на сопряжении его с выработками гор. - 384 м., расположенном в зоне двустороннего остаточного опорного давления пласта , при оконтуривании предохранительного целика в нижележащих пластах.

Одной из характерных деформаций стволов в условиях крутого падения является их искривление вследствие процесса сдвижения и его активизации над старыми очистными выработками /1/.

На наклонном и крутом падении пород существенную роль играют горизонтальные деформации массива в радиальном нагружении крепи и сужении поперечного сечения ствола /31/. Уменьшения сечения ствола вызывают разрушение крепи с образованием заколов и вывалов и сопровождаются изгибом расстрелов.

Ствол "Мария" шахты "Комсомолец" ПО "Артемуголь" диаметром в свету 5,1 м. закреплен бетоном толщиной 500 мм /25, 49/. Армировка металлическая, шаг армировки - 3126 мм, расстрелы из двутавра № 30с, проводники рельсовые.

В районе ствола падение пород крутое, под углом 55 - 65° характерное для Центрального района Донбасса. Ствол подвержен влиянию очистных работ на различных участках вследствие подработки, надработки, опорного давления.

В результате сдвижения горных пород ствол искривлен по стенкам крепи с юга на север в сторону восстания на 2,6 м, по армировке - на 0,95 м. Местами зазоры между подъемными сосудами и крепью ствола менее 100 мм. Нарушена заделка расстрелов. Крепь и армировка в крайне неудовлетворительном состоянии.

В практике встречаются случаи, когда армировка подвергается деформациям и при отсутствии видимых нарушений крепи.

Так, например, в столе № 6 шахты "Кочегарка" диаметром в свету 8 м в районе гор. - 550 м бетонная крепь не имела видимых нарушений, а стрела прогиба расстрелов достигала 100 - 150 мм /54/.

Данный пример наглядно показывает насколько армировка чувствительна к деформациям крепи, и свидетельствует, что в стволах, подверженных влиянию очистных работ, прежде всего нарушается армировка, а крепь сохраняет работоспособность.

Влияние сопрягающихся со стволом выработок и камер на состояние крепи и армировки также