Технология армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива

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 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 с деформирующейся крепью.

Поэтому обеспечение надежной работы жесткойармировки 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 напряженнодеформированного 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 мпри 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 математического 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, 19 961 997 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Э. П. Лунов, С. Г. Страданченко Причины нарушения крепи вертикального ствола // Совершенствование разработки угольных месторождений:

Сб. науч. тр. — Шахты: Ростовское научно-производственное изд-во «Недра». — 1994,-С. 198−202.

2. С. Г. Страданченко Армирование стволов в сложных горногеологических условиях // Ресурсосберегающие методы и средства разработки угольных месторождений: Тез. докл. к научной конференции Шахтинско-го ин-та НГТУ. 21−27 апреля 1995 г. Новочеркасск: Новочерк. гос. техн. унт., 1995. — С. 45 — 46.

3. Ф. И. Ягодкин, С. Г. Страданченко, А. Ю. Прокопов Защита армиров-ки 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. С. Г. Страданченко Технология армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива // Прохождение вертикальных стволов, околоствольных 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. С. Г. Страданченко 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. 225 -229.

6. С. Г. Страданченко 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. 229 — 234.

7. А. И. Резниченко, С. Г. Страданченко 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. С. Г. Страданченко Расчет армировки вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося массива: Научно-технические проблемы строительства вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок: Сб. науч. тр. / АО «Ростовшахтострой» — Новочерк. гос. техн. ун-т. — Новочеркасск: НГТУ, 1998. — С. 63 — 73.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная проблема технологии армирования вертикальных стволов шахт на участках деформирующегося породного массива, обеспечивающая повышение производительности труда и требуемые эксплуатационные качества при минимальных капитальных затратах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Установлены закономерности изменения величин прогибов среднего яруса пространственной конструкции армировки вертикальных стволоввыявлен нелинейный характер связи указанных величин в зависимости от скорости движения подъемных сосудов и высоты пространственной конструкции армировкиполучены 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.