автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Технология строительства вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях

РГ6 ОА

2 з да ^

На правах рукописи

Нечаенко Виктор Иванович

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.1 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

Научные руководители - докт. техн. паук, профессор Ягодкин Ф. И.

- канд. техн. наук, Мартьшенко И. А.

Официальные оппонепты

докт. техн. наук, проф. Федунец Б. И.

канд. техн. наук Завьялов Р. Ю.

Ведущее предприятие АООТ "Ростовпшрошахт"

Защита состоится " 3 " О¡998 г. в/^час на заседании диссертационного совета Д¿Л63.47.0]/при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, учебный корпус, аудитория 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ноко'теркасского государствешюго технического университета ^'

Автореферат разосла£1

1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного еоветаг г' ] \ х;

докт. техн. наук, проф. ц | Сидоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вертикальные стволы находятся, как правило, на критическом пути строительства и реконструкции шахт, и выбор эффективной технологии их сооружения во многом определяет сроки ввода в эксплуатацию.

Одной из наиболее сложных задач современного шахтного строительства является сооружение вертикальных стволов в обводненных неустойчивых порогах плывунного характера в контактных зонах, а также в зонах нарушений. В этих условиях для ведения проходческих работ применяют специальные способы, направленные на предварительное упрочнение пород и гидроизоляцию забоя ство-1а.

Опыт строительства стволов в указанных условиях свидетельствует о том, что тип крепи, технология и механизация ее возведения предопределяют скорость доведения и в значительной степени влияют на качество работ и производитель-юеть труда проходчиком

В настоящее время наибольшее распространение для крепления стволов в ¡ложных горно-геологических и гидрогеологических условиях получили моно-штная однослойная и двухслойная бетонная и железобетонная крепи и крепи из ¡угунных тюбингов.

Эти крепи имеют высокую стоимость, трудоемкость возведения, нетехно-гагичны при ведении работ в стволе и не всегда обеспечивают требуемые экс-шуатационные качества.

Применявшиеся ранее сборные крепи из железобетонных элементов, не-:мотря на свою экономичность, в настоящее время не используются из-за выяв-[енных существенных недостатков.

Вместе с тем накоплен значительный положительный опыт применения борных крепей из железобетонных элементов при проходке горизонтальных вы-аботок, который может быть использован при совершенствовании конструкций репи и технологии ее возведения при проходке вертикальных стволов в сложных орно-геологических и гидрогеологических условиях.

Решению проблемы интенсификации строительства вертикальных ствола и снижения затрат, приобретающей особую актуальность в современных услов! ях, посвящена настоящая работа.

Цель работы. Целью работы является разработка методических основ прс ектирования конструктивных решений и эффективной технологии крепления вег тикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических уел с виях, обеспечивающих снижение капитальных затрат, повышение скорости прс ходки и эксплуатационных качеств ствола.

Идея работы - повышение эффективности проходки и крепления верп кальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условия (в т. ч. контактных зонах.) достигается путем применения сборной крепи из желе зобетонных блоков клиновидной формы, обеспечивающих предварительный рас пор в кольце, жесткость кольца, герметизацию швов и технологичность монтаж ных работ.

Методы исследования. В работе использован метод исследования, вклк: чающий анализ состояния крепления вертикальных стволов, теоретические ис следования напряженно-деформированного состояния и расчет железобетонны элементов крепи, экспериментальные методы в лабораторных и производствен ных условиях.

Научная положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- установлено, что напряжения сжатия в круговой цилиндрической оболоч ке крели ствола из клиновидных железобетонных блоков, в связи с наличие] предварительного распора и смещения осей поворота блоков относительно дру друга, близки по величине напряжений, возникающим в аналогичной цилиндри ческой оболочке из монолитного железобетона;

- установлено, что отличительной особенностью круговой цшшндрическо оболочки из клиновидных железобетонных блоков является возникновение каез тельных напряжений на боковых гранях блоков при работе крепи и монтаже зам кового блока с созданием предварительного распора, достигающих максимально

интенсивности в окрестностях вершин и требующих армирования с расположением рабочих стержней вдоль боковых граней блоков;

- определены основные параметры и области применения технологических ;хем проходки стволов с креплением железобетонными клиновидными блоками в твисимости от горногеологических и гидрогеологических условий.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием конечно-элементного анализа и математи-юского моделирования, удовлетворительной сходимостью результатов теорети-адских расчетов (погрешность не более 7-10%) с данными экспериментальных ис-шедований и полученными при креплении ствола с применением рекомендуемой технологии, а также положительным опытом крепления и эксплуатации ствола.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности эаспределеная напряжений в блоках с клиновыми боковыми поверхностями, по-юженных в основу расчета и конструирования блоков, а также технологии монтажа крепи.

Практическое значение работы заключается:

- в разработке научно обоснованных основ проектирования и внедрении технологии крепления стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологиче-жих условиях сборной крепью из клиновидных железобетонных блоков, позво-1яющей повысить качество крепи, обеспечить се герметичность, максимально механизировать работы, повысить производительность труда и снизить стоимость )абот по сравнению с монолитной железобетонной крепью на 10 % и на 150 - 250 /о по сравнению с крепью из чугунных тюбингов;

- в разработке крепеукладчика, позволяющего максимально механизировать мботы, повысить производительность труда и точность монтажа крепи.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований реализова-1Ы при реконструкции воздухоподающего ствола шахты № 3-2 бис ШУ "Стеиа-гавское" АО "Ростовуголь" и проекте проходки вентиляционного ствола блока № i ш. "Капитальная" концерна "Кузнецкуголь".

Рекомендации и выводы работы использованы в ведомственном нормативном документе: "Технологические схемы крепления вертикальных стволов сборной крепью из блоков железобетонных клиновидных в условиях деятельности АО "Ростовшахтострой" (Ростовшахтострой, 1995 г).

Фактический годовой эффект от реализации работы на стволе шахты № 3-2 бис составил 76 тыс. руб. (в базовых ценах 1991 г.).

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях "Пути сокращения сроков и повышения эффективности сооружения вертикальных стволов" (г Шахты, 1996 и 1997 г), заседаниях технических советов "Ростовшахтостроя" (г Шахты, 1992 - 1.997 г), "Ростовгипрошахта" (г. Ростов-на-Дону, 1992 - 1997 г), иг научно-технических конференциях кафедры строительства подземных сооружений и шахт Шахтинского института Новочеркасского государственного техниче ского университета.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем работы: диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и за юпочения, содержит 156 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 21 табли цу, список использованной литературы из 44 наименований и 11 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современный уровень научных и инженерно-технических знаний о креп лении вертикальных стволов и передовой опыт технологии строительства накоп лен в результате работ, исследований и внедрений, проведенных крупными отече ственными учеными и инженерами.

Существенный вклад в развитие технологии крепления вертикальны: стволов внесен работами Н. С. Булычева, А.. М. Козела, X. И. Абрамсонс ь В. Евтушенко, 10. 3 Заславского, И. Г. Коскова, Ф. И. Ягод кип а, Э. О. Миндс ли, И. Д. Насонова, Н.. М. Покровского, Г. С. Пиньковского, Р. А. Тюркяна, В. А. Фс дюкина и др.

В настоящее время в сложных горно-геологических условиях наибольшее эсиространение получил способ проходки стволов с креплением монолитными цнослойными, многослойными бетонными и железобетонными крепями. Однако ги крепи имеют ряд существенных недостатков: высокие стоимость и трудоем-эсть, не технологичность при ведении работ, не всегда обеспечивается требуе-ое качество.

Вместе с тем накоплен значительный положительный опыт применения зорных крепей из железобетонных элементов при проходке горизонтальных пы-гботок, который может быть успешно использован для совершенствования кон-грукций крепи и технологии ее возведения при проходке стволов в сложных эрно-геологических и гидрогеологических условиях.

Анализируя вышеизложенное, можно заключить, что применяющиеся в астоящее время технологии крепления вертикальных стволов в сложных горно-юлогических и гидрогеологических условиях нельзя отнести к высокопроизво-ительным и ресурсосберегающим и требует совершенствования.

Однако, несмотря на накопленный положительный опыт применения кре-гй из сборных железобетонных элементов, они в настоящее время практически г применяются при строительстве вертикальных стволов в связи с рядом конст-/ктивнмх и технологических недостатков: отсутствие жесткости и предвари-:льного распора в кольце, сложность монтажа замкового блока, ручная чеканка [вов в кольце, недостаточная механизация работ, не достаточно решена гермети-щия крепи и др.

На основании анализа опыта применения в вертикальных и горизонталь-ых выработках сборных крепей из железобетонных элементов предложена сле-ующая конструкция сборной крепи из железобетонных блоков клиновидной ормы (БЖК).

В качестве блока принимается сектор цилиндрической оболочки клино-1Дной формы обеспечивающей предварительным распор в монтируемом кольце тегти, жесткость кольца крепи, упрощается монтаж замкового блока, в сочетании

с уплотняющими прокладками исключается необходимость чеканки швов и достигается герметизация стыков крепи.

Конструкция блока БЖК представлена на рис. 1. Основные технические параметры блока приведены в табл.1.

Рис. I. Конструкция блока БЖК

Крепь из железобетонных клиновых блоков в связи с наличием предвари тельного распора и смещения осей поворота блоков относительно друг друга ус ловно может рассматриваться как кольцо из монолитного железобетона и рассчи тываться по методике, принятой в сопротивлении материалов.

Таблица 1

Технические параметры блоков

Параметры Ед. изм. Количество единиц

Типоразмеры блоков по диаметру ствола в

:вету' м 6; 7; 8; 8,5

высота блока мм 1000

длина блока м 2000 ... 2600

Толщина цилиндрической оболочки и 200 ... 300

Количество блоков в кольце для стволов

диаметром в свету, м:

6 шт 8

7 II 10

8 12

8,5 11 12

Максимальное количество колец в заходке

ао тампонажа 4

Заданная несущая способность блока МПа не менее 39

Вместе с тем рассматриваемая конструкция не является сплошной круго-юй цилиндрической оболочкой, так как собирается из отдельных клиновых бло-сов и имеет спои особенности распределения напряжений.

Учитывая выше изложенное в диссертационной работе составлен регламент расчета сборной крепи из блоков БЖК (табл. 2) особенности напряженно «формированного состояния (НДС) блоков в рамках теории оболочек и сделана щенка напряжений, возникающих вдоль косых блоков при работе крепи.

Выполненными расчетами установлено:

- расчетные напряжения в теле блоков близки к полученным по расчетным формулам регламента, приведенного выше.

- напряжения вдоль боковых граней блоков имеет максимальное значе-■ нис и превышают напряжения в теле блока до 10%.

Дополнительно исследовано НДС блоков при монтаже замкового блока с предварительным распором в кольце крепи.

Алгоритм для определения основных параметров блоков железобетонных клиновидных Экспликация аргументов

Толщина блоков г0 - радиус вертикальной выработки в свету, м; ту - коэффициент, условий работы крепи, принимаемый по СНиП Н-94-80 равным 1,25; уьг - коэффициент учитывающий действие постоянных и длительных нагрузок, согласно СНиП 2.03.01-84 принимаем равным 0,9; уьз - коэффициент, учитывающий попеременное замораживание и оттаивание, согласно СНиП 2.03.01-84 принимаем равным 1; Уьб - коэффициент, учитывающий положение бетонирования, в соответствии со СниП 2.03.01-84 для горизонтальной опалубки принимаем равным 1; Я1;р - расчетное сопротивление бетона сжатию, Мпа, принимаем по СНиП 2.03.01-84;

Несущая способность ^ Пг X Г и X Уи * X [(^ + т„ х ¿„)Р - т1 х г05 Р - горизонтальное давление, Мпа, определяемое как суммарное от давления пород Рп и подземных вод Рг;

Допустимые напряжения в блоке О"«« = Рпр Х /¿2 х Уьг * Пб 5пр - толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы: для набрызгбетона принимаем равной 50 мм, для остальных видов крепи - равной нулю;.

Несущая способность монтажных блоков N = х > М N - несущая способность болта; М - сумма нагрузки на болт от веса блоков и бетона, заполняющего закрепное пространство;

Толщина закладной плиты Толщина закладной детали задана. Толщина закладной детали проверяется путем сравнения момента сопротивления закладной детали с моментом сопротивления сечения. Условие: У/,л> \УГ„ д - момент сопротивления закладной детали; \V-r.p - момент сопротивления сечения;

Рассмотрена упругая задача о плоском НДС в изотропном теле конечных хзмеров, находящихся в равновесии (рис. 2) под действием силы задвижки Р, си->1 трения Р, направленной по краям трапеции, и нормали к боковой грани, т е. [дача о состоянии, при котором отсутствуют напряжение на площадках, перпен-жулярных оси Ъ\

Считается , что блок окружен по блокам и сверху (у^Ь) абсолютно твердой )олочкой. К нижней грани трапеции приложена активная сила Р, направленная юль оси У вверх. Реактивные силы состоят из нормальной силы N. направлен-)й по нормали к каждой из граней трапеции и силы трения Р. Силы трения на-завлены вдоль каждой из боковых граней. Силы трения не имеют определенной 1чки приложения и каждая из них является равнодействующей касательных на-)яжений £х,у, действующих вдоль боковых граней. Нормальные силы также не леют определенной точки приложения и являются равнодействующими нор-зльных напряжений а„, приложенных к боковым граням трапеции. На верхней 13не возникает реактивная сила О, направленная вниз по нормали к ней.

В результате реализации задачи был проведен анализ НДС на оси симметрии юка, на верхней, нижней и боковой грани и сделан вывод, что максимальная ин-нсивность касательных напряжений достигается на боковой грани, причем наи-шьшее значение достигается в верхних точках блока.

На рис. 3 показаны области растягивающих и сжимающих напряжений в юке.

В целях проверки основных расчетных положений и определения фактиче-:их рабочих характеристик были проведены стендовые испытания разработан-ш крепи из блоков железобетонных клиновидных рис. 4.

На испытания была представлена крепь из пяти железобетонных клино-¡дных блоков. Внутренний радиус крени составлял 4710 мм исходя из техниче-:их характеристик испытательного стенда. Блоки были изготовлены Новошах-!нским заводом ЖБК АО "Ростовшахтострой",

-0,4

-ь -а 0 а b X

я Рис 2 Y а

/ + + \ \ . X

-b b

Рис. 3.

А - А

\Л-

-Г7ТТ

щЁ

i^M fl^i н-ц

nw I улу

Ti

Рис. 4

Стенд позволяет испытывать крепи Д = 5,1 ми менее при нагрузке до 1,0 АЛ а, которую способны обеспечить по своей суммарной мощности домкраты. Суммарный ход спаренных домкратов группы составляет 540 мм. Получен вывод, то результаты стендовых испытаний в основном подтверждают основные рас-етные положения.

На базе выполненных исследований разработан параметрический ряд локов гладкостенных клиновидных (БЖК), предназначенных для крепления ертикальпых стволов шахт диамефом в свету 6,0, 7,0, 0,8 и 8,5 м в породах ..IV категории устойчивости. Блоки рассчитаны на горное давление 0,39 МПа; ,53 МПа; 0,676 МПа.

Разработаны две технологические схемы ведения работ при возведении борной крепи из железобетонных клиновидных блоков и определены области их рименения;

совмещенная - возведение крепи из блоков БЖК (сверху вниз) вслед за сдвиганием забоя; (рис. 5)

последовательная - крепь из блоков БЖК используется в качестпе посто-мой и возводится снизу вверх заходками (рис. 6).

Оценка технико-экономических показателей технологии крепления ство-эв железобетонными клииовидными блоками проведена в сравнении технологи-\ крепления монолитным бетоном в секционной опалубке и креплением чугун-уми тюбингами с тампонажем закрепного пространства мелкозернистым бето-эм толщиной 300 -- 500 мм. Стволы сооружаются обычным способом. Оценка поизведена для стволов диаметром в свету 7,0 м. Технико-экономическая оценка сработанной технологии крепления стволов блоками БЖК приведена в таблице

Опытно-промышленная проверка разработанной технологии крепления волов железобетонными блоками клиновидной формы проведена на воздухопо-иощем стволе ШУ "Степановское" ОАО "Ростовуголь", в результате которой ,1ло успешно закреплено 554 м ствола. Выполненный комплекс опытно-спериментальных работ подтвердил высокую эффективность предложенной

технологии, инструментальные и визуальные наблюдения в период двухлетне эксплуатации ствола не выявили нарушений крепи.

Рис. 6.

Таблица

Технико-экономическая оценка разработанной технологии крепления стволов блоками БЖК

Показатели Типы постоянной крепи |

Монолитный бетон В20 Чугунные тюбинги Блоки БЖК-7.0-В25 | 1

Диаметр ствола в свету, м 7,0

Диаметр ствола вчерне, м 8,4 8,0 8,0

Специальный способ проходки замораживание

Расчетная глубина, м 130

Крепь:

- временная монолитный бетон В20 толщиной 200 мм |

- толщина постоянной крепи, мм 500 300 300 I

в том числе: крепь 500 200 250

тампонаж - 100 50

Стоимость сооружения 1 м ствола г. ценах 1991 г. без общешахтных расходов, руб. 2250 6150 2600

Скорость проходки, м/мес. 25 18 23

Расход материалов на 1 м:

- бетон, м3 16,94 7,25 6,08

- ж/бегои, м3 - - 5,69

- металл, т - 16,95 16,95

Объем вынимаемой породы, м3/м 55,4 50,24 50,24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная: работа является научным труде:.:, с котором па базе бы полненных автором теоретических и экспериментальных исследований изложен! научно обоснованные технические, технологические и экономические разработки обеспечивающие решение важной прикладной задачи - совершенствование тех

ологии строительства вертикальных стволов в сложных горногеологических ус-овиях, иугем применения сборной крепи из блоков железобетонных клиновид-ой формы, обеспечивающих требуемые эксплуатационные качества крепи, по-ышепис производительности труда при минимальных капитальных затратах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в сле-ующем:

1. Выполнен системный анализ применяемых конструктивных и техноло-яческих решений по креплению вертикальных стволов и горизонтальных выра-оток в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях сборными репями из железобетонных элементов на основании которого предложена новая онструкция блока железобетонного клиновидной формы и технология крепления ми вертикальных стволов, обеспечивающие предварительный распор в кольце, :есткость в кольце, герметизацию швов и высокую технологичность монтажных абот.

2. Выполнен анализ особенностей напряженно-деформированного состоя-ия блока при работе крепи и ее монтаже, на базе которого разработаны конст-уктивные решения блоков.

3. Разработаны методика и программа испытаний на круговом стенде, [роведены стендовые испытания крепи из блоков. Исследованы изменения конура крепи, косых стыков, контактные нагрузки на наружной и внутренней по-ерхности крепи, ее прочностные характеристики. Сделан вывод, что результаты тендовых испытаний в основном подтверждаются основные расчетные положе-ия.

4. Разработана ресурсосберегающая технология крепления вертикальных гволов в сложных гидрогеолотческих и горно-геологических условиях блоками :елезобетонными клиновидной формы.

5. Произведена опытно-промышленная проверка предложенной технолога при перекреплении воздухоподающего ствола шахты № 3-2 бис ИГУ "Степа-овское". Всего было закреплено 554 м ствола и получен экономический эффект б тыс. руб. в ценах 1991г.

6. На базе выполненного комплекса исследований разработан параметр ческий ряд блоков железобетонных клиновидной формы для условий проход] стволов в Восточном Донбассе. Блоки могут быть успешно применены и в друп районах с аналогичными условиями.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. П. С. Сыркин, Ф. И. Ягодкин, И. А. Мартыненко, В. И. Нечаенко, М. 1 Данилкин Технология оснащения вертикальных стволов для проходки // Нов черкасск: НГТУ, 1996. - 123 с.

2. И. А. Мартыненко, Ф. И. Ягодкин, В. И. Нечаенко Исследование экон мической .-эффективности армирования стволов одновременно с проходкой. Сбо ник "Научно-технические проблемы строительства и охраны горных выработок' Новочеркасск: НГТУ, 1996. с. 24-26.

3. Ф. И. Ягодкин, И. А. Мартыненко, В. И. Нечаенко Научно-обосн ванные технические решения - главное в проектировании строительства шах-М: Уголь, 1996. № 12, с. 34-37.

4. П. С. Сыркин, В. И. Нечаенко, И. Г. Шинкарь Рекордная проходка всп могательного ствола шахты "Обуховская № 1" темпами 162,7 м в месяц // к Уголь, 1996. № 12, с. 38-40.

5. В. И. Нечаенко Технология крепления вертикальных стволов железоб тонными блоками трапециевидной формы. Тезисы докладов научи производственной конференции г. Шахты "Прохождение вертикальных стволе околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строител стве новых шахт"// Новочеркасск: НГТУ, 1997. с. 13.

6. В. И. Нечаенко, С. Н. Горбунов Новая конструкция железобетонш блоков для крепления стволов в сложных геологических условиях //Научн технические проблемы разработки месторождений, строительства и охраны го ных выработок: Межвуз. сб. научн.тр./ Новочерк. гос. техн ун-т. Новочеркасс НГТУ, 1997. с. 109-113.

7. В. И. Нечаенко, И. Г. Шинкарь Проходка вспомогательного ствола ша ты "Обуховская № 1" //Научно-технические проблемы разработки месторожх

, строительства и охраны горных выработок: Межвуз. сб. научн.тр./ Новочерк. технун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1997. с. 299-302.

8. Технология строительства вертикальных стволов /Сыркин П. С., Ягод-Ф. И., Мартыиенко И. Л., Нечаенко В. И.. М.: ОАО "Изд-во "Недра", 1997. с.

/

см,'•

/

/ V/

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Новочеркасский государственный технический университет

На правах рукописи

Нечаенко Виктор Иванович

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ В СЛОЖНЫХ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

05.15.04 "Строительство шахт и подземных сооружений"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Ф. И. Ягодкин кандидат технических наук, доцент И. А. Мартыненко

Тула - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение......................................................................................................................................................4-7

1. Современное состояние и задачи совершенствования конструкции и технологии возведения крепи в зонах покровных отложений

и на контакте с ними..........................................................................................................................8

1.1. Анализ горно-геологических условий проходки стволов в Восточном Донбассе..........................................................................................................................8-22

1.2. Анализ применяемых конструкций крепи в сложных горногеологических и гидрогеологических условиях........................................................23-29

1.3. Постановка задачи. Цель и методы исследований................................29-32

2. Выбор рациональной конструкции сборной крепи из железобетонных элементов................................................................................................................................33

2.1. Анализ применения сборных крепей вертикальных стволов

из железобетонных элементов..................................................................................................33-53

2.2. Технические требования к конструкции крепи из железобетонных элементов................................................................................................................................53-54

2.3. Определение рациональной конструкции и основных параметров блока железобетонного клиновидного..........................................................54-57

2.4. Расчет крепи из блоков БЖК, как кольца из монолитного железобетона............................................................................................................................................58-66

Выводы..................................................................................................67

3. Исследование особенностей напряженно-деформированного состояния сборной крепи из блоков БЖК............................................................................68

3.1. Основные соотношения теории оболочек....................................................68-72

3.2. Плоская задача........................................................................................................................72-77

3.3. Решение по безмоментной теории......................................................................77-82

3.4. Исследование напряженно-деформированного состояния

крепи при монтаже замкового блока..................................................................................82-88

Выводы....................................................................................................................................................89

4. Стендовые испытания сборной крепи из блоков железобетонных клиновидных и разработка параметрического ряда блоков..........................90

4.1. Конструкция крепи и силового стенда............................................................90-96

4.2. Методика и результаты испытаний............................................97-115

4.3. Сравнение результатов эксперимента с расчетными данными........................................................................................................................................................................116-117

4.4. Разработка параметрического ряда блоков железобетонных клиновидных..............................................................................................................................................117-122

Выводы....................................................................................................................................................121

5. Опытно-промышленная проверка технологии крепления ствола сборными железобетонными блоками..............................................................................123

5.1. Общие сведения..................................................................................................................123-124

5.2. Конструкция блока железобетонного клиновидного........................125-129

5.3. Технология возведения крепи из блоков БЖК........................................129-131

5.4. Наблюдения и измерения крепи в период ремонта и эксплуатации ствола....................................................................................................................................131-138

Выводы....................................................................................................................................................133

6. Разработка технологических схем проходки стволов с креплением клиновидными железобетонными блоками..........................................................139

6.1. Технологические схемы возведения крепи из блоков

БЖК...................................................................................................................................139

6.2. Совмещенная схема проходки..................................................139-144

6.3. Последовательная схема проходки....................................................................144

6.4. Расчет технической скорости проходки вертикальных стволов........................................................................................................................................................................144-147

6.5. Технико-экономические показатели разработанной технологии........................................................................................................................................................................147-150

Выводы....................................................................................................................................................151

Заключение...................................................................................................................................152-154

Список используемой литературы..............................................................................155-158

Приложения....................................................................................................................................159

Приложение 2.1 Расчет геометрических параметров блоков............160-163

Приложение 2.2 Расчет несущей способности параметрического ряда крепи из сборных железобетонных блоков........................164-165

Приложение 2.3 Расчет арматурного каркаса, подбор монтажных петель для транспортировки блоков и монтажных приспособлений для монтажа блоков, и материала для гидроизоляции швов... 166-168

Приложение 3.1 Расчет напряженно-деформированного....................169-173

Приложение 3.2 состояния пояса цилиндрической..........................174-176

Приложение 3.3 оболочки крепи......................................................177-180

Приложение 4.1 Акт стендовых испытаний крепи из блоков

БЖК................................................................................................................................................181-182

Приложение 4,2 Расчет напряжений и деформаций в крепи............183-185

Приложение 4.3 Технические условия на изготовление блоков

БЖК...................................................................................................................186-196

Приложение 5.1 Акт внедрения крепи из блоков железобетонных клиновидной формы при ремонте воздухоподающего ствола

шахты №3-2бис ШУ «Степановское» АО «Ростовуголь»......................................197

Приложение 6.1 Расчет технической скорости проходки стволов по совмещенной и параллельной технологическим схемам с

креплением блоками БЖК............................................................................................................198-204

ВВЕДЕНИЕ

Сооружение вертикальных стволов находится, как правило, на критическом пути строительства и реконструкции шахт и определяет сроки их ввода в эксплуатацию. Занимая в общем, объеме капитальных горных выработок 154-25%, продолжительность строительства стволов достигает 35*50% общей продолжительности строительства шахты.

Одним из технологически наиболее сложных этапов сооружения вертикальных стволов является их проходка в обводненных неустойчивых породах плывунного характера в контактных зонах, а также в зонах нарушений. Трудоемкость и продолжительность проходки в таких условиях достигает от 20 до 40% от общих трудовых затрат и продолжительности строительства всего ствола.

В этих условиях для ведения проходческих работ применяют специальные способы, направленные на предварительное упрочнение пород и гидроизоляцию забоя ствола.

Опыт проходки стволов в указанных условиях свидетельствует, что тип крепи, технология, и механизация ее возведения предопределяют скорость проходки и в значительной степени влияют на качество проходческих работ и производительность труда проходчиков.

В настоящее время наибольшее распространение для крепления стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях получили монолитная однослойная и двухслойная бетонная и железобетонная крепи и крепи из чугунных тюбингов.

Эти крепи имеют высокую стоимость трудоемкость, нетехнологичны при ведении работ в стволе и не всегда обеспечивают требуемое качество.

Применявшиеся ранее сборные крепи из железобетонных элементов в настоящие время не используются из-за выявленных существенных недостатков, несмотря на свою экономичность.

Вместе с тем накоплен значительный положительный опыт применения сборных крепей из железобетонных элементов при проходке горизонтальных выработок, который может быть использован при совершенствовании конструкций крепи и технологии ее возведения при проходке вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Решению проблемы интенсификации строительства вертикальных стволов и снижения затрат, приобретающей особую актуальность в современных условиях, посвящена настоящая работа.

Цель работы - создание конструкции крепи и эффективной технологии проведения и крепления вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях.

Идея работы - повышение эффективности проходки и крепления вертикальных стволов в сложных горно-геологических и гидрогеологических условиях (в т.ч. контактных зонах) достигается путем применения сборной крепи из блоков железобетонных клиновидной формы, обеспечивающих предварительный распор в кольце, жесткость кольца, герметизацию швов и технологичность монтажных работ.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследования, включающий системный анализ и обобщение современного состояния крепления вертикальных стволов, теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и расчет железобетонных элементов крепи, экспериментальные методы в лабораторных и производственных условиях.

Научные положения и их новизна:

- напряжения сжатия в круговой цилиндрической оболочке крепи ствола из клиновидных железобетонных блоков, в связи с наличием предварительного распора и смещения осей поворота блоков относительно друг друга, близки по величине напряжениям, возникающим в аналогичной цилиндрической оболочке из монолитного железобетона;

- одной из особенностей круговой цилиндрической оболочки из блоков клиновидных железобетонных является возникновение касательных напряжений на ее боковых гранях при работе крепи и монтаже замкового блока с созданием предварительного распора, достигающих максимальной интенсивности в окрестностях вершин и требующих армирования с расположением рабочих стержней вдоль боковых граней блоков;

- эффективность рекомендуемой технологии достигается совокупной реализацией конструктивных решений блоков железобетонных клиновидных, обеспечивающих предварительный распор в кольце крепи, герметизацию швов, высокую точность, качество монтажа, и вытекающих из них организации работ и средств механизации.

Полученные результаты исследований использованы для обоснования технологических схем крепления стволов блоками железобетонными клиновидными и разработки конструкторской документации на изготовление блоков и средств механизации работ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, подтверждается системным анализом литературных и проектных источников, опыта строительства стволов, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических расчетов (погрешность не более 7ч-10%) с данными экспериментальных исследований и полученными при креплении ствола с применением рекомендуемой технологии.

Научное значение работы заключается в установлении закономерности распределения напряжений в блоках с клиновыми боковыми поверхностями, положенных в основу расчета и конструирования блоков, а также технологии монтажа крепи.

Практическое значение работы заключается:

в разработке и внедрении технологии крепления стволов в сложных горногеологических и гидрогеологических условиях сборной крепью из блоков кли-

новидных железобетонных, позволяющей повысить качество крепи, обеспечить ее герметичность, максимально механизировать работы, повысить производительность труда и снизить стоимость работ по сравнению с монолитной железобетонной крепью на 10% и 6 1,5 4-^5 РАЗАпо сравнению с крепью из чугунных тюбингов;

в разработке крепеукладчика, позволяющего максимально механизировать работы, повысить производительность труда и точность монтажа крепи.

Реализация результатов исследований. Результаты реализованы при реконструкции воздухоподающего ствола шахты №3-2бис ШУ «Степановское» АО «Ростовуголь» и проекте проходки воздуховыдающего ствола блока №1 ш. «Капитальная» концерна «Кузнецкуголь».

Рекомендации и выводы работы использованы в ведомственном нормативном документе: «Технологические схемы крепления вертикальных стволов сборной крепью из блоков железобетонных клиновидных в условиях деятельности АО «Ростовшахтоетрой» (Ростовшахтострой, 1995 г.).

Фактический годовой эффект от реализации работы на стволе шахты № 3-2бис составил 76 тыс. руб. (в базовых ценах 1991 г.).

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на научно-производственных конференциях «Пути сокращения сроков и повышения эффективности сооружения вертикальных стволов» (г. Шахты, 1996 и 1997 г), заседаниях технических советов «Ростовшахтостроя» (г. Шахты, 1992-1997 г), «Ростовгипрошахта» (г. Ростов-на-Дону, 1992-1997), на научно-технических конференциях кафедры строительства подземных сооружений и шахт «Шахтинского института Новочеркасского Государственного технического университета».

Публикации: по теме опубликовано 8 работ.

Объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 158 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 21 таблицу, список используемой литературы из 44 наименований и 11 приложений.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ВОЗВЕДЕНИЯ КРЕПИ В ЗОНАХ ПОКРОВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ И НА КОНТАКТЕ С НИМИ

1.1. Анализ горно-геологических условий проходки стволов в Восточном Донбассе

Горно-геологические условия сооружения вертикальных стволов в Восточном Донбассе изучены по условиям проходок стволов в 1972-1996 годах.

В качестве объектов исследования приняты 28 стволов, пройденных в АО «Гуковуголь», АО «Ростовуголь», АО «Обуховская».

В таблице 1.1 приведены данные по литологическому составу пересекаемых пород, глубине и диаметру стволов (типу и толщине крепи), а также гидрогеологические данные по пересекаемой толщи коренных пород и примененным специальным способам при проходке в этих породах.

Исследуемые стволы пройдены на глубину от 172 м (вентиляционный ствол №1 шахты «Октябрьская-Южная») до 1125 м (новый вспомогательный ствол шахты «Глубокая»). Диаметр стволов в свету от 5 до 8 м.

В геологическом строении принимают участие породы четвертичного, неогенового и каменноугольного возрастов.

Зоны коренных пород представлены перемежающимися слоями песчаников и песчаных сланцев, песчано-глинистых и глинистых сланцев, известняков и известковых сланцев, углей и углистых сланцев с пологим углом залегания.

На рис. 1.1 представлена диаграмма распределения пересекаемой стволами толщи пород по литологическому составу. Из диаграммы видно, что около 80% пород залегающей толщи составляют песчаники и песчаные сланцы.

Таблица 1.1

Горно-геологические данные и способы проходки стволов в коренных породах Восточного Донбасса

№ Наименование стволов Глубина, м Диаметр в свету, м Тип и толщина крепи Процентное соотношение суммарная мощность, % пород; мощность слоя (от-до), м Гидрогеологические данные Спец. способ проходки в коренных породах

§ § 1 § ИЗ «и 5 К о н С © 1 с Сланец песчаный Сланец песч-глин Сланец глинистый Известняк и сланцы известковые Угли и сланцы углистые Коренные породы

Кол-во горизонт. Мах приток, м /ч а г> £ Ю о СО

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16

1 ш. «Алмазная» Главный ствол г^ сч 7 Я ~ о о Н О ю — 31,5% 295 41,8% 385 — 21,1% 192 4,1% 37,5 1,3% Ю,1 18 20 165 Тампонаж с поверхности

0,5-42,3 0,3-17,8 0,1-16,4 0,2-3,8 0,02-1,1

2 ш. «Алмазная» Вспомогательный ствол о 00 7 ¡и 5 о н о (О СП ю — 31,91% 285 42,11% 376 — 20,94% 187 3,64% 32,5 1,13% 10,1 19 20 175 Тампонаж с поверхности

0,5-42,3 0,3-17,8 0,1-16,4 0,2-3,8 0,02-1,1

3 ш. «Наклонная» ШУ «Мирное» Центральный вентиляционный ствол о 5 я ^ о о н «л $ « 1,35% 10 37,93% 280,7 36,05% 266,8 6,05% 44,8 15,28% 113,1 0,65% 4,8 2,68% 19,8 11 100 230 Тампонаж с поверхности

0,5-6,3 0,8-39,1 0,6-27,9 0,4-11,8 0,6-19,5 0,2-1,3 0,01-1,3

00 оч

ш. им. Ленина Вентиляционный ствол №3 ш. «Несветаевская» Вентиляционный ствол №1 ш. «Дальняя» Скиповой ствол ш. им. 50 лет Октября Вентиляционный ствол №2 ш. им. 50 лет Октября Вентиляционный ствол №1

520 612 347 410 385 и>

и» и» 6,5 V» (л

бетон 250 бетон 300 бетон 300 бетон 300 бетон 300 VI

1 о V н-» К) м 00 V» ^ чР О4 1 0 1 >—» К> Ъ\ 00 Оч -1, оо Оч чР о4 0 V. 1 оо ю Оч

1,2-23,5 I—1 <?ч » м * 00 чр о4 р 00 1 к> 00 о Ы оч N1 чр о4 * V к» оо У р "ль. О4' Чр О4 0 1 и! Ы к> 00 Г" ю и-. чО о4 и> ОЧ ^ О и) X о4 <1

0 00 1 » Ъ\ £ ^ 00 чр о4- © 4л к-» и> �