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

На правах рукописи

Страдапченко Сергей Георгиевич

ТЕХНОЛОГИЯ АРМИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ НА УЧАСТКАХ ДЕФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОРОДНОГО МАССИВА

05 Л 5.04 " Строительство шахт и подземных сооружений"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 1998

Работа выполнена в Новочеркасском государственном техническом университете

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

Официальные оппонст ы докт. техн. наук, проф. Федунец Б.И.

канд. техн. наук Савин И.И.

Ведущее предприятие:

АО "Ростовшахтострой"

Защита диссертации состоится " 998 г. в /О часов Не

заседании диссертационного совета Д 063.47М1 при'Тульском государственно!! университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный корпус 9 аудитория 101.

. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульской государственного университета.

Автореферат разослан

998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета^ докт. техн. наук, проф. Ч

^ ^____Сидоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дальнейшее развитие угольной промышленности 'оссии связано с усложнением условий строительства и эксплуатации горных работок, в том числе вертикальных шахтных стволов и их армировки. Арми-зка занимает значительное место в комплексе ствола, являясь связующим :ном между его крепью и подъемными сосудами.

Рост глубины и производственной мощности шахт обусловили необхо-мость существенного повышения вместимости и скорости движения подъем-[х сосудов, что привело к резкому увеличению динамических нагрузок на ар-ровку.

В связи с этим актуальное значение приобрела проблема обеспечения дежной работы и безопасной эксплуатации армировки и подъемных ком-ексов.

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

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

Нарушения крепи и армировки происходят от воздействия различных iktopob, основными из которых являются; деформации окружающих ствол >род при осушении, влияние очистных работ, приствольных выработок и ка-:р, пересечение стволом зон старых горных работ и геологических наруше-[Й.

В настоящее время защита армировки вертикальных стволов в таких ус-1виях осуществляется путем устройства различных компенсирующих узлов и деструктивных решений, позволяющих производить ремонт в период эксплуа-ции стволов.

Однако применяемые решения не всегда обеспечивают надежную рабо-г подъемных комплексов. Одной из причин сложившейся ситуации следует ютать отсутствие научно-обоснованного подхода к проектированию армиров-I вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива.

Поу i ому обеспечение надежной работы жесткой армировки вертикаль-лх шахтных стволов в сложных условиях является актуальной научно-•хнической задачей в области строительства шахт и подземных сооружений, гшению этой задачи посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы. Разработка научно-обоснованной методики проектирования технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося переднего массива, ооеспечнвйюн'сй безремонтную эксплуатацию э.п-мировки 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-деформированною 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 полиномом 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-

ированного программного обеспечения ЭВМ, инженерно-техническими про-аботками и проектными решениями, результатами опытной проверки предло-енных технических решений на натурных объектах.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей вменения напряженно-деформированного состояния пространственных конст-укций армировки н зависимости от их высоты, массы подъемного сосуда, ско-ости его движения, схемы армировки и обосновании тезиса "обеспечение без-гмонтной эксплуатации жесткой армировки вертикальных стволов на участках еформирующегося породного массива достигается путем разрыва связи в сис-;ме "крепь - армировка" с устройством пространственных конструкций".

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методических основ проектирования пространственных кон-грукций армировки на участках деформирующегося породного массива, обеспе-ивающих безремонтную эксплуатацию армировки вертикальных стволов;

- разработке технологических схем армирования стволов в указанных ыше условиях;

- определении области применения предлагаемых пространственных онструкций и технологических схем.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

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

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации бсуждены и одобрены на ХЬУ, ХЬУ1 научных конференциях Новочеркасского осударственного технического университета (г. Шахты, 1996-1997 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании "Росуголь" "Пути по-ышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов" (г. Пахты, 1996 г.), Международной научно-практической конференции Рос-овского государственного строительного университета (г. Ростов-на-Дону, 997 г.), заседаниях технических советов АО "Ростовшахтострой" (г. Шахты, 997 г.) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), научно-[роизводственной конференции компании "Росуголь" и АО "Ростовшах-острой" "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, гори-онталышх и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (г. Шахты, 997 г.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и

шахт и кафедры сопротивления материалов, строительной и прикладной механики Новочеркасского государственного технического университета (г. Ново черкасск, 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 маши нописного текста, 28 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературь из 65 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современный уровень научных и инженерно-технических знаний об ар мировании вертикальных стволов и передовой опыт технологии армированш накоплен в результате работ, исследований и внедрений, проведенных крупны ми отечественными учеными и инженерами.

Существенный вклад в разработку новых средств и технологии армиро вания, а также совершенствование схем и конструкций армировки вертикаль ных 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. Козсла, 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-технически: изданиях, полученных из отчетов НИР, проектов производства работ но вое становлению участков стволов с нарушениями крепи и армировки, фактическо го осмотра нарушенных стволов были выявлены основные причины нарушени: крепи и армировки вертикальных стволов и степень их влияния в нарушени крепи и армировки.

В большинстве случаев нарушения крепи и армировки стволов происхс дят при влиянии одновременно нескольких причин, основными из которых яг лякнея влияние очистных работ и приствольных выработок, а также неблагс приятные условия в зонах пересечения старых горных работ и геологически нарушений.

Анализ данных показал, что 70 % нарушенных участков стволов по ра: личным причинам имеют размеры в пределах 10 - 30 м. Поэтому рассматрив; ем нарушенные участки высотой до 30 м.

В основу всех известных технических решений по конструктивной щите армировки положен принцип компенсации деформаций в системе репь - армировка". В случае любых нарушений крепи и армировки, если лько ствол по техническим причинам не перестает функционировать, связь в [стеме "крепь - армировка" остается неразрывной.

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

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

- они не обеспечивают надежной защиты армировки в случаях, если яникакмцие деформации превышают пределы регулируемое™, предусмотри ые конструкцией; векторы возникающих усилий не совпадают с направле-ием податливости конструкции; происходит нарушение устойчивости крепи и щелки расстрелов.

Для обеспечения работоспособности армировки на участке деформл-ующегося породного массива предлагается новый способ защиты жесткой ар-ировки - применение пространственных конструкций с разрывом связи в сис-;ме "крепь - армировка".

В соответствии с поставленной целью обеспечение работоспособности рмировки достигается разрывом связи в системе "крепь - армировка" на уча-гке деформирующейся крепи путем устройства пространственных конструк-ий с опиранием вне зоны нарушений.

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

Конструкция из гшоскопараллельных рам (рис. 1) состоит из опорных асстрелов 1, устанавливаемых вне нарушенного участка ствола, вертикальных тоек 2, предназначенных для опирания промежуточных расстрелов 3. К про-[ежуточным расстрелам крепятся проводники 4. Расположение промежуточ-(ых расстрелов совпадает с расположением расстрелов в обычных ярусах ар-шровки. Шаг армировки сохраняется. Высота пространственной конструкции ;ратна шагу армировки.

Пространственна? конструкция (рис. 2) состоит из аналогичных шгаско-гараллельных рам с дополнительными связями 5, повышающими жесткость и устойчивость конструкции в целом.

Рис. 1. Схема конструкции армировки с опирапием 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 напряженн деформированного состояния армировки виде плоскопараллельных рам.

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

Исследование работы конструкции было выполнено, используя мет< конечных элементов. Конечно-элементный анализ выполнен с использование вычислительного комплекса "ЗЕНИТ". Конечно-элементная модель предста лена на рис. 3.

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

югиба среднего яруса конструкции армнров-I в виде плоскопараллельной рамы по усло-по прочности - [ С] = 0,015 м.

Для полученных значений величин про-[бов среднего яруса пространственной конст-/кции армировки подобраны аппроксими-,тощие выражения зависимости величины зогибов конструкции С от скорости движения гетей V и высоты конструкции армировки Н ада С -./УК, Н).

Величина прогиба среднего яруса кон-грукции описывается полиномом второй стегни и зависит от высоты конструкции и ско-зсти движения клетей.

На основе существующих нормативных зкументов по расчету и проектированию же-гкой армировки вертикальных стволов шахт заработаны методические основы расчета рос гранственной конструкции армировки, отличительной особенностью кото-ой является опирание расстрелов на вертикальные стойки, допускающие пе-емещение в направлении приложения нагрузки.

Методические основы расчета пространственной конструкции армиров-и на участках деформирующегося породного массива включают в себя расчет араметров жесткости опорных и промежуточных расстрелов, а также напря-:ений в элементах армировки и прогибов проводников.

Алгоритм расчета пространственной конструкции армировки представ-ен в табл. 1.

Для определения области применения пространственных конструкций рмировки нспользованы зависимости величины прогиба среднего яруса конст-укции армировки в виде плоскопараллельной рамы от ее высоты и скорости вижения подъемного сосуда, lio указанным выражениям построены графиче-кие изображения зависимостей С =f(V,H) в виде поверхностей.

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

На построенных графиках строим плоскость максимально прогиба сред-его яруса конструкции армировки в виде плоскопараллельной рамы по усло-ию прочности [ С ] = 0,015 м.

Рис. 3. Конечно-элементная модель пространственной конструкции армировки

Таблица

Алгоритм расчета пространственной конструкции армировки

Определяемый параметр

Расчетная формула

Определение параметров жесткости Лобовая жесткость несущего расстрела

в месте крепления стойки в мес ге крепления проводника

Боковая жесткость промежуточного расстрела

Лобовая жесткость промежуточного расстрела

Безразмерные параметры лобовой и боковой жесткости по стойке А и проводнику 1

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

Общие жесткости расстрелов

СА =

2

ЯШ 1г

С =

^р -

^о,, ^о,хI

1,35 £

С„ =

\

ф

о,

о„

6 Е1,

"р,

1К

/I

1}с*

6ЕГ

«р,

13САп

аг =

ау,=а„

а,, = <г

У\ У

С

, с«.

с„

ГСА

р.

(

а.

1 с

К

г с,

ат

< с

Относительная средняя лобовая е 1,5501ехр(- 0,85851В(а ')), при а < 1 жесткость проводников

¡32,а

И—.

при а > 1

Приведенные относительные лобовая и боковая жесткости систе- е = мы

е

Ч'г

св 1 + — -с

е =

С ,

Параметр неоднородности деформационных характеристик

Р--

С„

2

у

Продолжение табл. 1

Определяемый параметр

Расчетная формула

Определение силовых парал(етров

"оричонтальная лобовая нагрузка ]5д ¡{гту2

Р„ = —1—-—г--

'ориюнтачьная боковая нагрузка ]5д КгтУ2

р * к _

е

Уу

г,-

^езргимерные координаты точек ^ = 0 0288(1еа-.у + 0,046з(!Ва')-изложения лобовой я соковой ' > \ ь /

МП,)30К -0,0717,

£ = 0,0384(1ва4)3 + ОДМбб^еГ1 )3 + 0,04з(^аг_|)-0,0011, ¿ = 0-ь0,4827(^«"')2 +

при — = 0

+

при — = 0,5

А

-0,137(1ва"')-0,0103.

при

а;

А

Коэффициенты сочетания нагрузок во времени

К\ =1-

1 -К

р> >

Изгибающие моменты

Тангенциальные напряжения в точках приложения лобовых нагрузок

Нормальные напряжения в точках приложения боковых нагрузок

Величина прогиба проводников для 1 игюразмеров клетп: 1НОВ520-15.0 1НОВ400-9.0 1НОВ360-6.0

М>» л. <У, =-- +

'' IV

мт

м. =-

Ртг,

^ УГ

К„

С = 0,059 - 0,009 Г- 0,005//+ 9,983-10"^, С = 0,027- 0,006 V- 0,003//+ 6,474-Ю-5//2, С = 0,025 - 0,004 Г- 0,002//+ 4,33-10"5Я2,

1

Продолжение табл. 1

Определяемый параметр

Расчетная формула

1НОВ255-3.2

2НОВ520-15.0

2НОВ400-15.0 2НОВ360-11.5

С - 0,015 -0,002К-0,001Я+ 9,96М0"51/2 + + 2,736-10-5Я2,

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

С = 0,07- 0,01 0,006Я, С = 0,037 - 0,008К- 0,004Я+ 8,001 -10-5Я2,

Анализ построенных графиков показывает, что величины прогибог среднего яруса конструкции в виде плоскопараллельной 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

шх стволов с приствольными выработками, высота которых достигает 10-12 л. Прогибы армировки на таких участках позволяют применять конструкции тмировки в виде плоскопараллельных рам. На протяженной части стволов жорость движения клетей достигает 10-12 м/с, а высота нарушенных учасг-сов - 20 - 30 м. В этих случаях происходит превышение величины максималь-юго прогиба и тогда для обеспечения безремонтной эксплуатации армировки и участках деформирующегося породного массива, расположенных в протя-кенной части стволов, уже необходимо устраивать пространственные конст-эукции армировки с межрамными связями.

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

Для экономической оценки разработанной технологии армирования вер тикальных стволов иа участках деформирующегося массива были рассчиташ величины трудозатрат, материалоемкости и стоимости возведения 1 м прс странственной конструкции армироыш в зависимости от ее высоты. Высот конструкции принималась от 6,25 м до 31,25 м с интервалом в 3,125 м.

Анализ полученных данных показывает, что с увеличением высоты де формирующегося участка ствола уменьшаются величины удельных трудоза трат, материалоемкости и стоимости возведения предложенной конструкци армировки.

Удельная трудоемкость возведения пространственной конструкции ар мировки меньше, чем у традиционной армировки, и с увеличением ее высот] снижается. Это достигается за счет сокращения числа устанавливаемых в креп ствола расстрелов. Но удельные материалоемкость и стоимость пространств« ной конструкции армировки выше, чем соответствующие показатели градищ онной армировки. При этом, следует учитывать то, что при ремонте нарушет ной армировки на участках деформирующегося массива приходиться затрачг вать средства и материальные ресурсы, стоимость которых равна капитальны затратам на армирование.

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа является научным трудом, в котором на ба: выполненных автором теоретических исследований изложены научш обоснованные технические, технологические и экономические разработк обосновывающие решение важной прикладной задачи - совершенствован! технологии армирования вертикальных стволов на участках деформирующей ся породного массива путем применения пространственных конструкций арм] ровки, обеспечивающих ее безремонтную эксплуатацию.

Основный ис^^хныс я пр£»ктн"сскис результаты рз-боты заключаются следующем:

1. Установлены закономерности изменения величин прогибов средне! яруса пространственной конструкции армировки вертикальных стволов; выя

з нелинейный характер связи указанных величин в зависимости от скорости нжения подъемных сосудов и высоты пространственной конструкции арми-вки; получены выражения для расчета значений величин прогибов конструк-и армировки.

2. Разработаны принципиальные схемы жесткой армировки вертикаль-IX стволов на участках деформирующегося массива в виде пространственных нструкций с опиранием вне зоны нарушений.

3. Разработаны методические основы расчета и проектирования указан-ix конструкций.

4. Определена область применения предлагаемых конструкций.

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

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

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Лунов Э.П., Страданчепко С.Г. Причины нарушения крепи вертикально ствола)/ Совершенствование разработки угольных месторождений: Сб. уч. тр. - Шахты: Ростовское научно-производственное изд-во "Недра". -94.-С. 198-202.

2. Страданчепко С.Г. Армирование стволов в сложных горно-гсологи-ских условиях// Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольях месторождений: Тез. доки, к научной конференции Шахтинского ин-та ГТУ. 21-27 апреля 1995 г. Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. уи-т., 1995. - С. ¡-46.

3. Ягодкин Ф.И., Страданченко С. Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки ртикальных стволов от влияния сложных горно-геологических условий// На-шо-технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. 1уч. тр./ Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1996. - С. 18 - 24.

4. Страданчепко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов ахт на участках деформирующегося массива// Прохождение вертикальных •волов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при роительстве новых шахт: Тез. докл. науч.-произв. конф. Шахты, 12-14 июня )97 г./ Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997. - С. 14.

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

' 234.

6. Страданченко С.Г. Способ защиты жесткой армировки вертикальны стволов шахт на участках деформирующегося массиваII Научно-технически проблемы разработки месторождений, строительства и охраны горных вырабс ток: Межвуз. сб. науч. тр. / Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГИ

1997.-С. 234-239.

7. Резниченко А.И., Страданченко С.Г. Расчет и проектирование арм! ровки шахтных стволов при локальных нарушениях сплошности горного ма( сива: Тез. докл. Медународ. науч.-практ. конф. Ростовского государственно: строительного университета - Ростов-на-Дону: РГСУ. - 1997. - С. 43 - 44.

8. Страданченко С.Г. Расчет армировки вертикальных стволов шахт i участках деформирующегося массива. Каучно-тсхнические проблемы стро! тельства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и н клонных выработок: Сб. научн. тр. / Компания "Росуголь", акционерное общ ство "Ростовшахтострой"; Новочерк. гос. техн. ун-т. - Новочеркасск: НГТ

1998.-С. 63 -73.