Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов

А.Ю. Прокопов С.Г. Страданченко М.С. Плешко

НОВЫЕ РЕШЕНИЯ В ПРОЕКТИРОВАНИИ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Новочеркасск 2005

УДК 622.258.3(06) П 78 Рецензенты: директор НТЦ «Наука и практика» д-р техн. наук, проф. Ф.И. Ягодкин; ген. директор ОАО «Ростовшахтострой» д-р техн. наук, проф. П.С. Сыркин

Авторы: Прокопов А.Ю. (введение, главы 1 – 3, заключение), Страданченко С.Г. (глава 5), Плешко М.С. (глава 4) П78 Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов/ Под общ. ред. А.Ю. Прокопова. – Ростов н/Д: Издво журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2005. – 201 с.

Произведен анализ существующих схем и конструкций жесткой армировки вертикальных стволов. Сформулированы современные требования к проектированию армировки. Разработан ряд ресурсосберегающих конструкций армировки и технологий армирования вертикальных стволов. Предложены пути улучшения деформационных характеристик элементов армировки. Разработаны конструкции и методика проектирования армировок для стволов, проходимых и эксплуатируемых в сложных горно-геологических условиях. Для инженерно-технических работников горнодобывающей промышленности и студентов горных специальностей вузов.

© Шахтинский институт ЮРГТУ, 2005 © Прокопов А.Ю., Страданченко С.Г., Плешко М.С., 2005

2

ВВЕДЕНИЕ С конца 90-х годов XX века в России наблюдаются положительные тенденции в горнодобывающей отрасли промышленности, связанные со строительством и техническим перевооружением целого ряда угольных шахт, разрезов (в основном, в Кузбассе), подземных рудников, и соответствующим ростом добычи угля, руд черных и цветных металлов, а также кимберлитовых руд. При строительстве шахт нового технического уровня большое распространение получила схема вскрытия шахтных полей наклонными стволами (шахты «Шерловская-Наклонная», «Кадамовская» в Восточном Донбассе, «Котинская», №7 АИК «Соколовская», «Ульяновская», «Беловская» в Кузбассе, «Денисовская» в Южной Якутии и др.). Такое решение позволяет снизить стоимость, до минимума сократить сроки строительства и окупаемости шахты, обеспечить принцип полной конвейеризации доставки угля от очистного забоя до поверхности, реализовать прогрессивные принципы «шахта-лава» или «шахта-пласт» и др. Однако область применения таких схем ограничивается горно-геологическими условиями, к которым следует отнести, прежде всего, углы падения и глубину залегания пластов у верхней технической границы шахтного поля. В настоящее время, на ряде строящихся и реконструируемых угольных шахт, в силу значительной глубины залегания пластов, единственным приемлемым решением остается вскрытие шахтных полей вертикальными стволами (шахта «Обуховская №1» в Российском Донбассе, шахты им. Вахрушева, «Красноармейская-Западная №1», им. А.Ф. Засядько, «Прогресс», «Краснолиманская» в Украинском Донбассе и др.). Аналогичные решения по вскрытию принимают на подземных рудниках, строительство которых ведется или проектируется в настоящее время (рудники «Мир», «Интернациональный», «Айхал», «Удачный» компании по добыче алмазов «Алроса» в Якутии; «Северный», «Северный-Глубокий» и «Центральный» по добыче медно-никелевых руд Кольской ГМК; «Башкирский медно-серный комбинат», шахты «Северно-вентялиционная», «Скиповая», подземный рудник «Майский» в Башкортостане, рудники Дарасунского и Итакинского золоторудных месторождений в Читинской области, Южно-Хинганского марганцево-рудного месторождения на р. Амур и др.). При реконструкции ряда угольных и соляных шахт в настоящее время планируется проходка новых или ремонт крепи и переармирование действующих вертикальных стволов (например, шахты «Садкинская», «Аютинская» в Российском Донбассе, шахта «Грамотеинская» в Кузбассе, шахта «Скиповая» ОАО «Илецк-соль» в Оренбургской области и др.) 3

Не обходится без сооружения вертикальных выработок и при современном освоении подземного пространства (примерами строительства таких выработок в настоящее время могут служить вертикальные стволы, проектируемые на Сахалине для линии железнодорожного перехода через Татарский пролив, вертикальные стволы комплексов гидроэлектростанций (например, Зарамагской ГЭС в Северной Осетии); шахтные вентиляционные и эвакуационные стволы метрополитенов и подземных коллекторов крупных городов, автотранспортных и железнодорожных тоннелей, вертикальные шахты объектов оборонного назначения и др.). Поэтому дальнейшая разработка ресурсосберегающих средств и способов проходки, крепления и армирования вертикальных стволов является актуальной научнотехнической и экономической задачей. Вертикальные стволы относятся к наиболее ответственным подземным сооружениям, срок службы которых соизмерим со сроком службы всего горнодобывающего предприятия или подземного объекта. В настоящее время вертикальные стволы отечественных шахт и рудников сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных горно- и гидрогеологических условиях, усложняющихся с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых. На определение диаметра ствола, его стоимости, сроков строительства, а также на производительность, надежность и экономичность работы подъемных установок существенное влияние оказывает армировка. Поэтому одним из направлений снижения затрат при строительстве и реконструкции шахтных стволов и повышения надежности подъемных комплексов может быть оптимизация решений технологий армирования и схем армировки стволов. К настоящему времени выработано множество решений схем, конструкций, отдельных узлов армировки, технологических схем, способов и приемов армирования. Целью данной монографии является обобщение существующего отечественного и зарубежного опыта в области армирования, систематизация решений армировки вертикальных шахтных стволов, основанная на современных требованиях к ее проектированию, разработка новых научно-обоснованных технических и технологических решений по армированию вертикальных стволов и методических основ проектирования предлагаемых конструкций армировки. Надеемся, что настоящая работа будет полезна как инженерно-техническим работникам шахтостроительных организаций и специалистам проектных институтов, так и студентам горных и строительных специальностей вузов.

4

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ 1.1. Из истории армирования вертикальных стволов Возникновение армировки вертикальных стволов относятся к концу XVIII – началу XIX вв. Развивалась и совершенствовалась армировка в прямой зависимости от конструкций крепи, вместимости подъемных сосудов, глубины стволов и скорости движения подъемных сосудов по стволу. В начале развития, когда глубина стволов не превышала 50-60 м, а вместимость подъемных сосудов составляла 0,1-0,3 м3 [97], подъем осуществлялся при помощи коловорота, приводимого в движение лошадьми, и практически не требовалось «хитрых» конструкций армировки. В последующем – в середине XIX в., с изобретением парового двигателя, в Европе на шахте «Элизабет» в 1830 г. (Германия) была установлена паровая подъемная машина. В связи с внедрением паровых машин скорости движения подъемных сосудов возросли, и горные ведомства ряда европейских стран стали требовать, чтобы при скорости, превышающей 1,3 м/с, подъемные сосуды двигались по принудительным направляющим вертикального движения. Следует отметить, что, начиная с данного момента, армировка вертикальных стволов официально разделилась на канатную и жесткую. Канаты, висящие в стволе, стали использоваться в качестве направляющих преимущественно в шахтах Великобритании. Жесткая армировка в то время представляла собой отдельные деревянные брусья. Между брусьями заводились болты, которые крепились на подъемном сосуде и выполняли роль направляющих устройств. В России этот период характеризуется освоением Донецкого угольного и Криворожского рудного месторождений с уже сложившимися схемами армировки. Армировка во всем мире в этот период применялась в зависимости от экономических и горнотехнических условий шахты и не имела каких-либо ограничений. С увеличением скорости движения сосудов аварии на подъемных установках (независимо от схем армировки) и случаи обрыва подъемных канатов стали более частыми явлениями на шахтах. В связи с этим потребовалось применение парашютов, что привело к прекращению (как потом оказалось временному) применению канатной армировки из-за невозможности применения парашютов захвата для канатной армировки. Таким образом, первый этап развития армировки, длившийся до 1940 г., характеризовался гегемонией применения жесткой армировки. На 5

шахтах России – это деревянная армировка при деревянной крепи ствола и металлическая или смешанная (деревянные проводники и металлические рельсы) – при бетонной и каменной крепи. С развитием подземных разработок до глубины 600-800 м с целью повышения производительности подземных установок потребовалось увеличение скорости подъема горной массы до 10-12 м/с. Повышение скорости подъема было связано со вторым этапом развития армировки шахтных стволов (до 1970 г.), но этому предшествовала долгая и кропотливая работа исследователей, установивших на опытах, что из-за увеличения скорости подъема на ряде шахт разрушалась крепь и узлы крепления расстрелов. Это происходило из-за передачи жесткими лапами на расстрелы значительной нагрузки, составлявшей до 10-12%, а иногда 16-18% от концевой массы подъемного сосуда [44]. Ряд научных разработок по решению указанных проблем позволил достичь скорости подъема до 12-14 м/с, грузоподъемности сосудов – до 25-50 т с одновременным увеличением при этом глубины разработки до 800-1000 м. Основными направлениями совершенствования армировки в тот период стали: увеличение в 5-10 раз несущей способности и жесткостных параметров ярусов армировки в горизонтальной плоскости благодаря сокращению свободного пролета расстрелов, увеличению размеров профилей и их толщины, использованию в качестве проводников коробчатых профилей, увеличению глубины закрепления расстрелов в бетонной крепи до 0,5 м; усиление узлов крепления расстрелов в бетонной крепи; усиление узлов крепления проводников и узлов расстрелов; использование в качестве направляющих упругих роликов с пружинными амортизаторами; значительное повышение требования к качеству монтажа элементов армировки (т.к. их допустимые отклонение до этого составляли ±10 мм, а в отдельных случаях до ±20 мм). Этот же период времени характеризуется изобретением и успешным применением канатных парашютов трения, что позволило с 1954-55 гг. значительно повысить безопасность подъемов, а самое главное, стало возможным применение канатной армировки. Однако на пути ее широкого внедрения стало другое препятствие – не было конструктивного решения закрепления проводников канатов массой 8-12 т, обладающих большой жесткостью. Этот вопрос был решен Донмпроуглемашем в 1960 г., разработавшим разъемный клиновой коуш. При этом скорость подъема составляла до 12 м/с, грузоподъемность сосудов – до 50 т, в результате доля канатной армировки в этот период увеличилась до 17 % от общего количества заармированных стволов [97]. Третий этап начинается с 70-х гг. XX в., и не завершен до данного момента. В настоящее время ведется разработка на глубинах 800-1200, а иногда – 1600 м, при этом увеличение грузоподъемности сосудов планируется до 50-100 т, при скорости подъема 16-20 м/с и более. В этих условиях 6

особо проявляются недостатки существующих схем армировки, несущая способность которых в основном была повышена за счет увеличения металлоемкости. На армировку ствола глубиной 1000 м затрачивается 12001500 т металлопроката, что связано с высокой трудоемкостью изготовления и монтажа. Поперечное сечение ствола загромождено расстрелами, что затрудняет спуск крупногабаритного оборудования в шахту и требует значительных затрат на проветривание, а в ряде случаев вызывает необходимость строительства новых вентиляционных стволов. Таким образом, при армировании стволов шахт следует увеличить несущую способность и жесткостные параметры в 3-5 раз при одновременном снижении расхода металла на 20-30 %, уменьшить аэродинамическое сопротивление в 2-3 раза, улучшить технологию изготовления и индустриальность в монтаже.

1.2. Анализ развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов Разработанные в различные годы прошлого столетия проекты жесткой армировки отвечали соответствующему уровню развития горнодобывающих предприятий. Так широко применявшаяся до шестидесятых годов XX в. конструкции и схемы жесткой армировки с расстрелами из проката двутаврового профиля и рельсовых или деревянных проводников вполне удовлетворяли типичным для того времени условиям: в основном неглубоких шахт малой мощности с подъемными установками с полезной грузоподъемностью 8-10 т и скоростью движения подъемных сосудов 5-6 м/с (табл. 1.1, а, б). С ростом глубины разработки полезных ископаемых и строительством крупных по мощности шахт возникла необходимость увеличения производительности подъемных установок. Так уже в конце 60-х гг. грузоподъемность подъемных сосудов возросла до 20-35 т, а скорость подъема увеличилась до 10-12 м/с. Средняя глубина разработки в Донецком бассейне превысила 600 м, а добыча угля свыше этой глубины достигала 50% от общего объема. Проектирование и строительство шахтных стволов глубиной до 1200 м, оборудованных многоканатными подъемными установками большой грузоподъемности, становится обычным техническим решением. Попытка реализации таких высоких скоростей и концевых нагрузок за счет только увеличения металлоемкости конструкций армировки оказалась нереальной. Сохранение старых принципиальных решений в новых условиях привело к несоответствию между армировкой и параметрами подъемных установок, благодаря чему стали наблюдаться сильные поперечные колеба7

ния, выход подъемных сосудов из проводников, разрушение заделки концов расстрелов в крепи и, как следствие, низкая работоспособность армировки и подъема в целом. Работоспособность армировки действующих шахт наиболее полно характеризуется надежностью Р(t), которая является функцией времени эксплуатации и определяется как вероятность безаварийной работы армировки в течение данного периода эксплуатации. Для определения состояния и надежности жесткой армировки в 1963 г. ВНИИОМШС были проведены обследования армировки в 63 стволах действующих шахт. В результате анализа полученных фактических данных были сделаны следующие практические выводы: – средний срок службы элементов армировки То для расстрелов составляет 10 лет, для проводников – 5 лет; – среднее число замен элементов армировки за время эксплуатации t для расстрелов Н(t)=0,1t, для проводников Н(t)=0,2t; – состояние армировки действующих стволов шахт весьма неудовлетворительно в первую очередь в результате малых сроков службы ее отдельных элементов в связи с коррозионным, механическим износом и усталостью металла. Теоретические исследования причин аварийного состояния армировки показали, что динамическая система «подъемный сосуд – армировка» при определенных критических состояниях скоростей подъема может работать в резонансных режимах. Вследствие этого в практике проектирования, строительства и эксплуатации возникли следующие проблемы: – возросла реальная вероятность возникновения аварийных ситуаций с тяжелыми последствиями из-за выхода подъемных сосудов из проводников и зацепления ими за расстрелы и инженерные коммуникации; – сократился срок службы элементов армировки из-за интенсивного истирания проводников, накопления усталостных напряжений и коррозионного износа; – увеличилась стоимость эксплуатации стволов вследствие большой трудоемкости регулярных осмотров и ремонтов узлов крепления армировки, на выполнение которых затрачивалось более 6 ч в сутки; – возросло в два и более раза аэродинамическое сопротивление стволов в связи с загруженностью сечения ствола в свету элементами армировки, их недостаточной обтекаемостью, увеличением глубины стволов и расхода воздуха; – в 1,3-1,5 раза увеличился расход металла и в 1,5-2 раза капитальные затраты на 1 м армировки ствола; – увеличилась трудоемкость работ до 15-20% от общих объемов работ по сооружению ствола с сохранением большого объема ручного труда; – на 25-40% возросла продолжительность армирования стволов в связи с утяжелением и усложнением конструкции армировки, повышением 8

требований к точности ее монтажа, сохранения большого объема ручного труда и увеличения сроков переоснащения ствола от проходки к армированию. Указанные выше недостатки могли быть устранены только в результате принципиально новых конструктивных изменений жесткой армировки. Исходя из этой посылки, была разработана программа совершенствования жесткой армировки, которая включала три основные направления: 1. Создание научно-обоснованных методических основ расчета. 2. Совершенствование и типизация схем и конструктивных узлов. 3. Разработка принципиально новых схем и конструкций. Общим для этих направлений являлось стремление обеспечить безаварийную работу и максимальный срок службы подъемных сосудов, их узлов, подъемных канатов и армировки, минимальное аэродинамическое сопротивление ствола и минимальные эксплуатационные затраты на ремонт и поддержание армировки и ствола в целом. К первому направлению следует отнести работы по исследованию устойчивости движения подъемных сосудов и созданию теоретических основ расчета рациональных параметров системы «сосуд-армировка» по предельным состояниям [3, 39]. Ко второму направлению относятся работы по созданию новых профилей проката для армировки, отличающихся повышенной жесткостью, удобообтекаемыми формами и экономичностью, методов снижения аэродинамического сопротивления расстрелов путем установки на них обтекателей, конструированию работоспособных роликовых направляющих для подъемных сосудов и совершенствованию схем армировки [20]. Практической реализацией первого и второго направлений явилась разработка научно-обоснованной методики расчета жесткой армировки нового типового проекта армировки стволов [39, 91]. Этим проектом для главных элементов армировки в стволах с подъемными установками большой с средней интенсивности были приняты сварные коробчатые профили и малорасстрельные схемы армировки (табл. 1.1, б, в). Внедрение коробчатых профилей и роликовых направляющих, кроме увеличения интенсивности работы подъемных установок, обеспечило плавное движение подъемных сосудов, благодаря чему уменьшились затраты на ремонт армировки, а применение малорасстрельных схем привело к существенному снижению аэродинамического сопротивления стволов. К третьему направлению относится разработка принципиально новых безрасстрельных консольных, консольно-распорных и блочных схем армировки. Впервые консольная схема армировки была успешно применена в клетевом стволе шахты «Южная» ПО «Северокузбасуголь», которая безаварийно эксплуатировалась в течении 30 лет (табл. 1.1, г). 9

Таблица 1.1 Развитие схем жесткой армировки вертикальных стволов № схемы

Схема армировки

Характеристика армировки

а)

Жесткая армировка клетевого ствола. Типовое решение. 1960 г.

б)

Жесткая армировка скипового ствола. Типовое решение. 1960 г.

в)

Консольная схема армировки ствола шахты «Южная» ПО «Северокузбассуголь», 1964 г.

г)

Комбинированная армировка клетевого ствола. Типовые решения «Южгипрошахт»

д)

Комбинированная армировка скипового ствола. Типовые решения «Южгипрошахт»

е)

Консольно-рапорная армировка Северного вентиляционного ствола №2 Запорожского железорудного комбината.

ж)

Блочная армировка клетевого ствола с П-образными расстрелами

з)

Блочная армировка скипового ствола с V-образными расстрелами

10

Примером схемы армировки с комбинацией расстрелов и консолей является типовое решение сечения скипового ствола, разработанное институтом «Южгипрошахт» (табл. 1.1, д, е). Дальнейшим развитием консольной армировки следует рассматривать консольно-распорные схемы, в которых динамические нагрузки от подъемных сосудов передаются не только на консоль, но и на систему горизонтальных распорных балок. Благодаря этому, такая конструкция по сравнению с обычной консольной обладает в горизонтальной плоскости большей жесткостью (табл. 1.1, ж). К основному недостатку консольно-распорной армировки следует отнести низкую несущую способность в вертикальной плоскости, что ограничивает область ее применения. В целях устранения этого недостатка предложена замена плоской конструкции яруса армировки пространственной объемной, в том числе блочной, имеющей высокие прочностные и деформационные параметры (табл. 1.1, з, и). Предполагалось, что кроме высоких прочностных характеристик объемные конструкции позволят производить крупноблочный монтаж армировки и тем самым сократить капитальные и эксплуатационные затраты. Учитывая особенности работы безрасстрельных армировок (консольных, консольно-распорных, блочных) и актуальность их внедрения был выполнен ряд теоретических работ, посвященных созданию научно-методических основ проектирования [99, 35, 64, 82, 50]. Вместе с тем многие задачи, поставленные программой совершенствования жесткой армировки, разработанной еще в 70-е гг. прошлого столетия, остаются полностью или частично нереализованными и не потеряли свою актуальность в настоящее время. К ним следует, прежде всего, отнести: – разработку научно-обоснованной методики проектирования пространственных конструкций армировки и технологию их крупноблочного монтажа; – переход на переменный шаг армировки, который позволил бы нарушить периодичность поперечной жесткости армировки, снизить уровень параметрического возбуждения и тем самым перейти на более высокие скорости подъема и концевые нагрузки; – разработку и внедрение в практику системы проводников с дополнительной ветвью, обеспечивающей постоянную жесткость по глубине ствола. Резюмируя изложенное, следует обратить внимание на логическую последовательность развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов вследствие роста интенсивности работы шахтных подъемов, накопления опыта и теоретических знаний, от простых стержневых систем из металлических и деревянных элементов к сварным коробчатым профилям, консольным и консольно-распорным плоским и объемным, крупноблочным и пространственным конструкциям.

11

2. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ АРМИРОВКИ

2.1. Современное состояние вопроса армирования вертикальных стволов шахт и рудников Армировка вертикальных стволов предназначена для обеспечения направленного безопасного движения подъемных сосудов при заданных режимах работы подъемных установок. Схема армировки и конструкция ее элементов, а также технология армирования во многом влияет как на надежность эксплуатации всего комплекса подъема, так и на продолжительность, стоимость и трудоемкость сооружения вертикальных стволов (рис. 2.1). Классификация применяемых в современной отечественной и зарубежной практике конструктивных решений и принципиальных схем армировки вертикальных стволов приведена на рис. 2.2. Изучение существующего состояния вопроса армирования вертикальных стволов шахт и рудников, сравнение вышеперечисленных схем армировки и оценка их достоинств и недостатков позволяют констатировать следующее. В отечественной горнодобывающей промышленности наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка с расстрелами балочного типа, ее доля составляет около 75%, а с учетом жесткой смешанной армировки (металлические расстрелы и деревянные проводники) – более 80%. Это связано, прежде всего, с устоявшимся традиционным подходом в проектировании армировок стволов (см. главу 1) и накопленным богатым опытом в строительстве и эксплуатации жестких многорасстрельных армировок, которые по праву считаются наиболее проверенными и надежными. В настоящее время дальнейшее увеличение средней глубины разработок и повышение значимости армировки в общем комплексе ствола, обусловленное возрастанием допустимых скоростей подъема и концевых нагрузок требуют дальнейшего увеличения средней жесткости системы и по возможности исключения ее периодического изменения по глубине ствола. Эти рекомендации определяют современные тенденции в конструировании жесткой армировки.

12

13 Трудоемкость

Продолжительность

Стоимость

Трудоемкость

Клетевые стволы

Продолжительность

Стоимость

Трудоемкость

Воздухоподающий стволы

Рис. 2.1. Продолжительность, трудоемкость и стоимость сооружения вертикальных стволов: 1 – оснащение; 2 – проходка ствола; 3 – сопряжение и камеры; 4 – армирование; 5 – переоснащение; 6 – простои; 7 – спецспособ

Продолжи- Стоительность мость

Скиповые стволы

Рис. 2.2. Классификация современных конструкций армировки

Использование традиционного метода в конструировании, т.е. увеличение жесткости применяемых профилей для проводников и расстрелов при сохранении конструкций ярусов, является малоэффективным, так как в современных условиях недостатки, присущие жестким расстрельным армировкам, будут проявляться еще более существенно. Главным из недостатков реализации этого направления является дальнейшее повышение металлоемкости конструкции, а, следовательно, увеличение затрат, что в современных условиях, при необходимости жесткой экономии средств и рационального использования ресурсов нецелесообразно.

2.2. Сравнительный анализ и перспективы применения многорасстрельных, безрасстрельных и канатных армировок Как видно из классификации армировок, приведенной на рис. 2.2, в настоящее время применяются два принципиально различных по конструкции и применяемым материалам типа армировки: – жесткая, состоящая из длинных металлических балок (расстрелов), заделываемых двумя концами в крепь – многорасстрельная, или из коротких отрезков металлического профиля (консолей) – безрасстрельная, к которым крепятся рельсовые или коробчатые проводники; – гибкая, состоящая из канатов, которые навешиваются в стволе и закрепляются в двух точках – на копре и в зумпфе. 14

Произведем сравнительный анализ указанных типов армировки. Традиционные жесткие многорасстрельные армировки обладают целым рядом существенных недостатков, к которым можно отнести следующие: – значительная, иногда неоправданно завышенная металлоемкость конструкции, приводящая к общему удорожанию строительно-монтажных работ; – поперечное сечение стволов загромождено расстрелами, часто располагающимися в центральной части, что затрудняет спуск длинномерных материалов и крупногабаритного оборудования в шахту и вызывает дополнительные затраты на проветривание из-за высокого аэродинамического сопротивления армировки; – высокая трудоемкость монтажа и изготовления элементов армировки, в связи с чем средние темпы работ по возведению армировки стволов на протяжении ряда лет практически не увеличиваются (и составляют 150-200 м/мес.), зачастую не достигая нормативных (300 м/мес.). Это приводит к тому, что при трудоемкости армирования, в 6-10 раз меньшей, чем остальное сооружение ствола, затраты времени на армирование занимают иногда до 20% от продолжительности строительства. Исследования показывают, что причинами такого положения является: применение схем армировки, не обеспечивающих индустриальных методов ведения монтажных работ, значительные затраты ручного труда при разделке лунок и установке элементов армировки, несовершенная система геометрического контроля положения ее элементов, а также применение технологии, при которой монтаж элементов армировки, трубопроводов выполняется последовательно со значительными переходными перерывами на переоборудование ствола. Расстрелы армировки вертикальных стволов, как правило, закрепляют в лунках бетонной крепи, разделываемых вручную. Устройство лунок является одним из наиболее длительных и трудоемких процессов при возведении армировки, на который приходится до 40% всех трудовых затрат на армирование ствола. Тем не менее жесткая армировка имеет и существенные достоинства: – при одинаковой грузоподъемности подъемных сосудов стволы с такой армировкой имеют меньший диаметр по сравнению со стволами с гибкими проводниками; – упрощается работа с нескольких горизонтов при максимально возможной скорости движения подъемных сосудов по стволу, при этом движение осуществляется с небольшими искривлениями; – возможен частичный ремонт проводников и расстрелов при обнаружении их местного повреждения. Учитывая опыт эксплуатации стволов с жесткой армировкой, оборудованных клетевыми подъемами, и их надежность, можно утверждать, что и в будущем они будут иметь широкое применение в горнодобывающей промышленности страны. Поэтому работы по созданию и внедрению но15

вых схем и прогрессивных конструкций жесткой армировки, а также разработка эффективных технологических схем ее возведения должны быть направлены на устранение перечисленных ранее недостатков. Другим направлением в проектировании армировок вертикальных стволов, развивавшимся одновременно с совершенствованием жестких многорасстрельных армировок, является гибкая (канатная) армировка, которая по ряду показателей значительно эффективнее жесткой. Так, расход металла за весь период эксплуатации ствола при канатной армировке сокращается в 3-4 раза, скорости армирования увеличиваются в 3,5-6 раз, аэродинамическое сопротивление стволов в 4-5 раз меньше, чем при жесткой армировке. В отдельных случаях канатная армировка является не только предпочтительным, но и единственно приемлемым решением, например: – при проходке стволов в сильно обводненных, неустойчивых породах, когда недопустимо нарушение сплошности бетонной крепи для установки расстрелов; – при активном горном давлении на крепь ствола, вызывающем деформацию элементов жесткой армировки; – при необходимости значительного снижения аэродинамического сопротивления ствола; – при применении облегченных крепей (набрызгбетон, армонабрызгбетон), осложняющих закрепление расстрелов жесткой армировки и др. Существенные преимущества канатной по сравнению с жесткой многорасстрельной, а также создание и применение многоканатных подъемных установок, обеспечивающих повышенную стабильность движения сосудов в канатных проводниках, способствовали значительному расширению использования канатных проводников. Так, в период с 1968 по 1988 гг. лет их количество возросло с 1 до 17% от общего количества эксплуатируемых стволов и превысило 120 единиц [106]. Эксплуатируется ряд стволов с крупными подъемными установками: с глубиной подъема до 1300 м, массой груженных сосудов 50-100 т и скоростью подъема до 12 м/с. В 80-х гг. XX в. в отечественной практике строительства и реконструкции шахт доля канатной армировки составляла 50-60% [97]. Аналогичное положение наблюдается во всех странах Европы с развитой горнодобывающей промышленностью: Германии, Польше, Франции, Швеции. Однако наряду с указанными преимуществами канатная армировка обладает некоторыми существенными недостатками, главным из которых является необходимость увеличения поперечного сечения ствола по сравнению с жесткой армировкой, а, следовательно, и значительного возрастания первоначальных капитальных затрат на строительство. Кроме того канатные проводники значительно быстрее, чем жесткие, изнашиваются от интенсивной истирания и коррозии. Несмотря на то, что 16

при проектировании канатной армировки срок службы проводников принимается 6-8 лет, фактически они служат 2-3 года, а в условиях г. Норильска срок службы канатных проводников не превышает 1,5 года. К серьезным недостаткам и нерешенным проблемам в применении канатных армировок можно отнести также: – все еще высокую аварийность направляющих канатов вследствие поломок внешних проволок и выхода их за контур каната; – нестабильность движения подъемных сосудов в канатных проводниках под воздействием аэродинамических факторов и сил, возникающих в головных канатах от растягивающей нагрузки; – несовершенство конструкций фиксирующих устройств для подъемных сосудов на промежуточных горизонтах; – отсутствие надежных научно-обоснованных нормативных материалов для проектирования и технико-экономической оценки подъемных установок с канатными проводниками. В любом случае выбор между канатной и жесткой армировками не является однозначным и требует тщательного технико-экономического анализа, учитывающего конкретные горно-геологические, горнотехнические и климатические условия эксплуатации. Технико-экономические показатели и эксплуатационные характеристики схем с жесткой и канатной армировками во многом отличаются друг от друга, и, тем не менее, до настоящего времени не установлены рациональные области их применения, что в значительной мере обусловлено недостаточной их изученностью и отсутствием научно обоснованных рекомендаций. Этим следует объяснить и то, что в различных странах с развитой горнодобывающей промышленностью соотношение схем армировки различно. Так, например: в горнорудной промышленности Германии, Франции и Швеции, на шахтах Польши, США применяется главным образом канатная армировка. На угольных шахтах Великобритании ее доля составляет 50%. В отечественной горнодобывающей промышленности из 100% действующих стволов 75% имеют жесткую армировку, 17% канатную, 8% – смешанную армировки. Как видно из приведенного анализа и жесткие многорасстрельные, и канатные армировки обладают некоторыми характерными, трудноустранимыми недостатками. Промежуточным решением, объединяющим преимущества жестких (высокая прочность, устойчивость, жесткость конструкции) и канатных армировок (низкая металлоемкость и трудоемкость возведения, уменьшение аэродинамического сопротивления ствола, освобождение большей части полезной площади поперечного сечения ствола и т.д.) является безрасстрельная армировка, при которой проводники крепятся к консольным балкам небольшой длины или к блокам. Кроме того при применении безрасстрельной армировки создаются благоприятные предпосылки для более прогрессивной технологической 17

схемы армирования с одновременной проходкой ствола, которая при канатной армировке невозможна, а при многорасстрельной – весьма затруднена. В направлении создания безрасстрельных схем и конструкций уже выполнен ряд научно-исследовательских работ. В настоящее время разработаны и внедрены различные схемы безрасстрельных (малорасстрельных) армировок клетевых и скиповых стволов угольных шахт. Применение таких схем и конструкций армировки, на наш взгляд, наиболее перспективно. Для расширения области применения безрасстрельных армировок, возможности их использования в сложных горно-геологических условиях, повышения точности монтажа и ремонтопригодности, авторами ведется разработка новых конструкций и узлов безрасстрельных армировок (см. главы 3 и 4).

2.3. Система современных требований и решений жесткой армировки При проектировании рациональных параметров схем и конструкций армировки, а также технологии армирования для конкретных горно-геологических и экономических условий очень важно учесть целый комплекс требований, которые по своей сути делятся на 3 большие группы: – функциональные, выполнение которых призвано обеспечить безаварийную работу подъема при заданной скорости и концевой нагрузке в течение заданного срока службы ствола в конкретных горно-геологических условиях; – технические, включающие правильное научно обоснованное проектирование (конструирование и расчет) армировки, что обеспечит ее высокие эксплуатационные характеристики; – экономические, обуславливающие необходимость максимального сбережения материальных и трудовых ресурсов, как при армировании ствола, так и при эксплуатации армировки. Каждое из требований предполагает принятие в проектах определенных технических и технологических решений, которые могут, как сочетаться, так и исключать друг друга. К настоящему времени выработано множество решений схем, конструкций, отдельных узлов армировки, технологических схем, способов и приемов армирования. Авторами сделана попытка систематизации решений армировки вертикальных стволов, основанной на современных требованиях к проектированию. Указанная система включает как традиционные классические решения, так и новые разработки, предложенные авторами. Дадим дополнительные пояснения к некоторым «блокам» представленной системы требований и решений армировки (рис. 2.3).

18

Снижение многодетальности

19

Увеличение шага армировки

Снижение трудоемкости армирования

Крепление проводников к крепи посредством кронштейнов

Повышение жесткости

Использование консольнораспорных армировок

Долговечность

Использование консольных армировок

Повышение технологичности Использование блочных конструкций, монтируемых на поверхности Использование временной крепи из ж.-б. анкеров для навески кронштейнов, труб, кабелей, лестничных отделений

Повышение темпов армирования

Исключение длинных центрального и хордальных расстрелов

Крепление расстрелов анкерами

Использование «поточной» технологии армирования Использование временной анкерной крепи для навески элементов армировки Использование цельно-сварных секций лестничного отделения, закрепляемых анкерами Предварительная навеска опорных кронштейнов для проводников в период проходки ствола Прочность Устойчивость в любых горно-геологических условиях Снижение аэродинамического сопротивления

Технические

ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ Экономические

Снижение металлоемкости

Использование унифицирован- Использование регулируемых ного ряда монтажных шаблонов узлов крепления

Рис. 2.3. Система требований и решений жесткой армировки вертикальных стволов Высвобождение центральной части сечения ствола от расстрелов Использование переменного шага армировки

Крепление проводников к крепи одиночными анкерами с уменьшенным шагом

Использование демпферного проводника

Применение консольнораспорной армировки

Футеровка проводников

Антикоррозийные покрытия

Ремонтопригодные конструкции

Переход на другие схемы армировки на сложных участках

Выбор рациональной схемы армировки

Выбор рациональных профилей

Надежность узлов соединения

Использование специальных профилей расстрелов (гексагонального, эллиптического обтекаемого) Установка обтекателей на расстрелы

Шахматный порядок установки консолей, удерживающих проводники одного подъемного сосуда Применение высокопрочных материалов и профилей повышенной жесткости

Использование полиуретановых шин и гидравлических амортизаторов роликовых направляющих

Повышение точности монтажа расстрелов и проводников

Качественная заделка нарушенной крепи в местах заделки расстрелов

Использование различных материалов в узлах крепления

Использование конструкций с регулируемым положением Использование пространственных конструкций с опиранием вне зоны деформаций крепи

Включение в конструкции армировки узлов осевой и радиальной податливости

Учет функциональных требований должен обеспечить прочность конструкции, ее устойчивость и работоспособность в соответствующих горногеологических условиях, а также максимально возможную долговечность армировки. Прочность конструкции (требуемая жесткость, отсутствие сверхдопустимых напряжений и деформаций) обеспечивается корректным проектированием профилей армировки, узлов соединения ее элементов и узлов крепления к стенкам ствола в соответствии с расчетными нагрузками от движущихся подъемных сосудов, определяемыми по [39]. Для обеспечения устойчивости армировки в сложных горно-геологических условиях требуется применение ряда дополнительных мер, к которым можно отнести включение в конструкции проводников и расстрелов узлов осевой и радиальной податливости [98, 109], использование податливых гидравлических расстрелов [53] или податливых анкеров для крепления элементов армировки [52]. Помимо указанных решений податливых конструкций, «срабатывание» которых зависит только от внешних нагрузок и может произойти неожиданно, возможно использование регулируемых конструкций, позволяющих вручную изменять положение отдельных элементов армировки в случае их заметного искривления или смещения, вызванного отклонениями стенок ствола [67, 63]. Немаловажное значение в обеспечении длительной функциональной устойчивости армировки имеет выбор ее рациональной схемы. В качестве одного из направлений защиты армировки вертикальных стволов предлагается применение малорасстрельных и безрасстрельных конструкций с регулируемым положением элементов. Так, например, в стволах, подверженных влиянию горного давления, наиболее предпочтительной будет консольная армировка с боковым расположением проводников относительно подъемных сосудов. При этом продольные оси консолей должны проектироваться по возможности в направлении ожидаемых сдвижений поперечного сечения ствола. Консольная схема с лобовым двухсторонним расположением проводников благоприятна в стволах, где преобладают деформации контура в горизонтальном направлении, перпендикулярном проектному положению продольных осей консолей и подъемного сосуда [109]. Максимально учесть свойства вмещающего породного массива, которые могут резко отличаться друг от друга на различных по глубине участках ствола, позволяет дифференцированный подход к проектированию армировки, предусматривающий возможность применения различных схем и конструкций армировки на разных участках [57]. Для особо неустойчивых участков стволов, находящихся в условиях сильно деформирующегося породного массива, когда невозможно обеспечить требуемую величину податливости или регулирования элементов армировки, целесообразно использовать пространственные конструкции, которые опираются на крепь ствола выше и ниже нарушенного участка [84, 42]. Сложные, с точки зрения поддержания, участки ствола с целью повышения надежности закреп20

ления армировки, могут упрочняться с помощью различных типов анкерных крепей, что, в конечном счете, скажется как на улучшении состояния стенок ствола, так и на повышении безопасности эксплуатации армировки. Другим важным функциональным требованием к армировке ствола является повышение ее долговечности, которое может быть направлено на снижение коррозии металла (использование антикоррозийных покрытий, неодинаковых материалов в соединениях), уменьшение износа (использование футеровки проводников [25], специальных материалов и конструкций роликовых направляющих [4]), улучшение технологии работ (качественная заделка нарушенной крепи, повышение точности монтажа и др.). Одним из важнейших технических требований является повышение жесткости армировки и соответственное снижение амплитуды колебаний подъемного сосуда при движении. Данная задача традиционно решалась применением высокопрочных материалов и профилей повышенной жесткости, что сопряжено с дополнительными затратами. Значительно повысить жесткость армировки, исключить ее переменную податливость по глубине и использовать даже в стволах с высокой интенсивностью подъема, позволяет применение консольно-распорных конструкций [72]. Интересным направлением повышения жесткости армировки является использование проводников с дополнительной вертикальной демпфирующей ветвью, опирающейся на расстрелы и соединенной с проводником в середине между ярусами [56], а также применение в качестве расстрелов облегченных несущих конструкций с уменьшенным шагом установки. К таким конструкциям можно отнести армировку, предусматривающую крепление проводников к стенкам одиночными или спаренными анкерами, установленными с малым шагом (0,5-1 м). Как показывает компьютерное моделирование, такое решение позволяет значительно увеличить жесткость конструкции, а значит снизить величину прогиба проводника и улучшить характеристики подъема. Снизить прогибы проводников можно также при стандартном шаге консольной армировки, устанавливая по две консоли (для одного подъемного сосуда) не на одном ярусе, а с разнесением по высоте на величину, равную половине шага армировки (т.е. в шахматном порядке). В этом случае максимальный прогиб одной консоли будет совпадать с нулевым прогибом другой, и наоборот, что в целом положительно скажется на общей жесткости системы. Другим важным техническим требованием к армировке является снижение аэродинамического сопротивления, которое может быть достигнуто высвобождением центральной части стволов от расстрелов [18] (применением безрасстрельных армировок, креплением проводников непосредственно к крепи), использованием специальных обтекаемых (эллиптического, гнутого гексагонального, каплевидного) профилей расстрелов [4], установкой обтекателей на расстрелы и консоли [4, 32], использованием переменного шага армировки [19]. 21

В современных условиях максимального ресурсосбережения все большее значение приобретают экономические требования к проектированию армировки, которые охватывают 3 основных резерва экономии: снижение металлоемкости конструкций, трудоемкости строительно-монтажных работ и повышение темпов армирования. Направления совершенствования армировки с целью снижения металлоемкости включают внедрение безрасстрельных (консольных, консольно-распорных, блочных) армировок [64], увеличение шага армировки до 6 м для рельсовых и до 6,252 м для коробчатых проводников [87], использование анкерно-консольной армировки [69, 71], предусматривающей крепление проводников к стенкам ствола на 4 анкерах посредством несложных опорных плит-кронштейнов, и других облегченных конструкций и узлов. Снижение трудоемкости армирования и эксплуатации стволов может обеспечиваться следующими решениями: исключением центральных и длинных хордальных расстрелов, обладающих большой длиной, массой, загромождающих сечение и создающих дополнительные сложности при их установке в стволе; креплением расстрелов или консолей анкерами [35]; использованием блочных конструкций, монтируемых на поверхности [36]; повышением технологичности (снижение многодетальности, использование конструкций, предусматривающих возможность регулирования при монтаже, использование унифицированного ряда монтажных шаблонов [105, 59]); использованием ремонтопригодных конструкций [100]. Повышение темпов армирования, и соответствующая экономия средств за счет досрочного ввода ствола в эксплуатацию, может быть достигнута применением «поточной» технологии с применением безрасстрельной армировки [75], использованием цельносварных секций лестничного отделения, закрепляемых анкерами [103], применением технологической схемы, предусматривающей установку опорных кронштейнов вместе с креплением ствола, а навеску проводников – после окончания проходки и переоборудования ствола. Представляется интересной идея о возможности использования временной анкерной крепи для последующей навески опорных кронштейнов, консолей или расстрелов. Учет всех перечисленных требований и возможных направлений их удовлетворения позволит обеспечить максимально эффективное, экономически, технически и технологически целесообразное и обоснованное проектирование жесткой армировки стволов.

22

2.4. Основные принципы проектирования армировки Исходя из рассмотренных требований (см. п. 2.3), можно сформулировать следующие принципы проектирования жесткой армировки вертикальных стволов в современных условиях строительства и эксплуатации стволов: – принцип максимального ресурсосбережения, заключающийся в максимально возможном использовании конструкций малой металлоемкости (консольных, консольно-распорных, анкерно-консольных), увеличении шага армировки, повышении технологичности конструкций (снижении многодетальности, использовании унифицированного ряда монтажных шаблонов, применении регулируемых узлов крепления) и др.; – принцип поточности, предусматривающий максимальное совмещение работ по армированию ствола с его проходкой и креплением, а также использование средств временного крепления ствола для последующей навески элементов армировки; – дифференцированный подход, предусматривающий использование в одном стволе различных схем и конструкций в зависимости от горно- и гидрогеологических условий; – принцип учета геомеханических свойств вмещающего породного массива, позволяющий отказаться от традиционных ярусов армировки на наиболее опасных участках ствола и не устанавливать на данных участках никаких опорных конструкций и анкеров. Взаимосвязь требований и принципов проектированию жесткой армировки схематично показана на рис. 2.4.

Принцип поточности Экономические требования

Принцип максимального ресурсосбережения

ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Дифференцированный подход

Принцип учета геомеханических свойств вмещающих пород Функциональные требования

Рис. 2.4. Взаимосвязь требований и принципов проектирования армировки

23

С одной стороны, функциональные требования определяют необходимость наиболее полного учета условий эксплуатации армировки и применения различных на отдельных глубинах схем и конструкций, а также использования всевозможных способов защиты армировки; с другой стороны экономические требования ограничивают проектировщика необходимостью максимального ресурсосбережения и обеспечения высоких темпов армирования. Для устранения указанного противоречия авторами ведется разработка новых конструкций армировки и технологических схем армирования, позволяющих успешно удовлетворять как функциональные, так и экономические требования. Подробно эти решения приведены в главах 3 – 5.

24

3. БЕЗРАССТРЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ АРМИРОВКИ 3.1. Опыт применение безрасстрельной армировки в отечественной и зарубежной практике Наиболее перспективным проектным решением по совершенствованию жесткой армировки считается переход к безрасстрельной армировке, главным отличием которой является использование в качестве основных несущих элементов одинарных консольных металлических балок, консолей с распорами в горизонтальной плоскости или блочных пространственных конструкций. По этому признаку все безрасстрельные армировки можно разделить на консольные, консольно-распорные и блочные (см. рис. 2.2). Рассмотрим опыт применения каждой из них. 3.1.1. Консольные армировки Консольная армировка впервые нашла применение в зарубежной практике шахтостроения. Так в ФРГ безрасстрельная армировка используется еще с середины 50-х гг. XX в. [13]. На шахте «Wihelmine Victoria» для улучшения условий вентиляции в стволе диаметром 4,15 м балочные расстрелы хордального расположения были заменены консолями. В результате аэродинамическое сопротивление ствола уменьшилось почти на 75%. В это же время был осуществлен проект закрепления проводников на консолях в вентиляционном стволе №3 на шахте «Waltrop» (ФРГ) диаметром 6,5 м, шаг установки консолей – 2 м. После этого успешного опыта консольная армировка стала применяться как при реконструкции старых, так и при строительстве новых вертикальных стволов. В ЮАР широко применяются смешанные схемы армировки, сочетающие в себе хордальные расстрелы и консоли. Такое техническое решение позволяет снизить металлоемкость армировки и аэродинамическое сопротивление ствола в сравнении с обычной многорасстрельной армировкой. В качестве примера смешанной армировки можно рассмотреть сечение ствола №1 рудника «Хартебнисфонтейн» (рис. 3.1). Ярус армировки состоит из двух хордальных расстрелов коробчатого профиля соединенных вдоль центральной оси распорной балкой и двух консолей. Последние представляют собой металлические сварные кронштейны, закрепленные к стенкам ствола четырьмя анкерами. Расстрелы также установлены на кронштейнах аналогичной конструкции. 25

Рис. 3.1. Проектное сечение ствола №1 рудника «Хартебнисфонтейн»

Интересным является также то, что монтаж армировки стволов рудника «Хартебнисфонтейн» осуществлялся одновременно с проходкой с помощью специального полка. Полок располагался на высоте 60 м от забоя и подвешивался к ранее установленным расстрелам на шести канатах лебедок. Установка расстрелов и навеска проводников в зависимости от их расположения производилась во время уборки породы и бурения шпуров. На монтаж комплекта яруса расстрелов и кронштейнов и навеску проводников длиной 9,15 м в среднем затрачивалось 3 – 3,5 ч. Рекордные скорости строительства по описанной технологии были достигнуты при сооружении ствола №2 рудника «Хармони» глубиной 1688 м. В течение восьми месяцев проходка и одновременное армирование ствола осуществлялись со скоростями 102,2 – 171,7 м/мес [78]. Фирмами Германии, осуществляющими проходку и армирование, довольно широко используется способ установки проводников непосредственно на кронштейнах, имеющих различное конструктивное исполнение. Крепление элементов армировки осуществляется с помощью эмалевых труб (рис. 3.2) или анкеров (рис. 3.3). Применение эмалевых труб обеспечивает повышенную надежность всей конструкции армировки в сборе. В тоже время технология установки кронштейнов на анкерах является менее трудоемкой.

26

Рис. 3.2. Узел крепления проводников на эмалевых трубах

Рис. 3.3. Консольная армировка с креплением кронштейнов на анкерах 27

Применение безрасстрельной армировки с креплением проводников на кронштейнах в стволах «Вестерхольт 1», «Вульфен 1», «Рейнберг» и др. позволило существенно снизить металлоемкость армировки, аэродинамическое сопротивление ствола, трудоемкость работ, а также использовать подъемные сосуды большого объема [34, 87]. В отечественной угольной промышленности консольная армировка впервые была применена на новом клетевом стволе шахты «Южная» п/о «Северокузбассуголь» (рис. 3.4) в 1967 г. [36, 97]. Клетевой ствол диаметром 5 м пройден на глубину 300 м и закреплен монолитной бетонной крепью толщиной 450 мм. Ствол оборудован работающей с двух горизонтов одноклетевой подъемной установкой с противовесом и одноэтажной клетью на одну трехтонную вагонетку. Рельсовые лобовые проводники с помощью зажимных скоб закреплены к консолям, замоноличенным в бетонной крепи ствола. Шаг армировки 4168 мм. Консоли для крепления проводников крепи изготовлены из двух отрезков угловой стали, скрепленных между собой накладками. Масса консоли 50,2 кг/м, глубина заделки в бетон 350 мм. Консоли для крепления проводников противовеса изготовлены из отрезков двутавровых балок, стенки которых усилены накладками из листовой стали. Масса консоли 45 кг/м, глубина заделки – 450 мм. На концах всех консолей, выступающих в ствол, закреплены планки с лежками, а на противоположных концах приварены стержни из арматурной стали.

Рис. 3.4. Консольная армировка клетевого ствола ш. «Южная» в Кузбассе

28

Общая экономия металлопроката по сравнению с моногорасстрельной схемой армировки составила 23 %. В течение более 20 лет эксплуатации клетевого ствола шахты «Южная» аварий связанных с конструкцией армировки не наблюдалась [5, 6]. Эффективность применения и работоспособность одинарных консолей как элементов армировки была подтверждена многолетним положительным опытом эксплуатации армировок скипового ствола №2-бис шахты «Центральная» ПО «Красноармейскуголь» и клетевого ствола шахты им. газеты «Социалистический Донбасс» ПО «Донецкуголь», интенсивность подъемных установок которых соответственно равны 3,23⋅108 и 2,07⋅108 Дж [13]. Спаренные (П-образные) консольные расстрелы успешно эксплуатировались в скиповом стволе №1 шахты «Голубовская» ПО «Стахановуголь» (интенсивность подъема 1,25⋅108 Дж) [13]. Консольные расстрелы были установлены также во вспомогательном стволе шахты «Славяносербская» ПО «Ворошиловградугогль», где подъемная установка имеет интенсивность 5,5⋅107 Дж [13]. Наиболее высокая интенсивность подъема для конструкций жестких армировок с консольными расстрелами была достигнута на калийном руднике «Wintershall» в стволе «Grimberg» (ФРГ), где успешно эксплуатируется скиповой подъем интенсивностью 1⋅109 Дж. Во всех вышеописанных случаях закрепление консолей в бетонной крепи ствола производилось путем заделки их концов в лунки бетонированием. Этот способ закрепления элементов армировки долгое время оставался преобладающим при монтаже как расстрельной, так и консольной армировок.

3.1.2. Консольно-распорные армировки Одним из направлений развития консольной армировки является консольно-распорная схема армировки, в которой динамические нагрузки передаются не только на консоль, но и на жестко прикрепленную к ней балку. Такая конструкция расстрела работает преимущественно на растяжение-сжатие, что обеспечивает высокие жесткости при минимальной металлоемкости. Такой расстрел имеет в горизонтальной плоскости в 5-10 раз большую жесткость по сравнению с консольным. Впервые в отечественной практике консольно-распорная армировка была запроектирована и сооружена в 1976 г. в стволе шахты «Слепая №8» РУ им. Кирова ПО «Кривбассруда» [8, 20]. Ствол диаметром 4 м оборудован клетью размерами в плане 3100×1370 мм и противовесом 800×400 мм. Консольные расстрелы выполнены из двутаврового профиля №26в. Про29

водники – коробчатые 160×160×12 мм. Для противовеса использованы направляющие канаты диаметром 38 мм. Шаг армировки – 4м. Лестничное отделение изготовлено из сборных металлоконструкций, позволяющих монтировать его секциями. Сечение ствола позволяет пропускать при скорости 8 м/с максимальное количество воздуха – 82 м3/с. В связи с тем, что ствол с такой конструкцией армировки сооружался впервые, были проведены статические и динамические испытания, в результате которых получены следующие выводы: одностороннее расположение роликовых направляющих не оказывает существенного влияния на систему «проводники-расстрелы»; зарегистрированные нагрузки на армировку меньше допустимых расчетных в 4-5 раз, что свидетельствует о достаточно высокой работоспособности консольно-распорной армировки [21]. На базе этих данных институтом Кривбасспроект совместно с КГРИ была разработана консольно-распорная армировка ствола «Вентиляционный №3» (рис. 3.5) рудника «Яковлевского» объединения КМАруда [8, 44].

Рис. 3.5. Консольно-распорная армировка ствола «Вентиляционный» №3 Яковлевского рудника

Ствол оборудован клетью размерами в плане 4500×1500 мм с противовесом и подъемом для спуска крупногабаритного оборудования. Расстрелы коробчатого профиля, изготовленные путем сварки из уголков 200×125×12 мм располагаются попарно в стволе с шагом армировки 4 м. К стенке ствола консольно-распорные расстрелы крепились на штангах с помощью специально приваренных опорных кронштейнов. Клеть обору30

дована упругими роликовыми направляющими, которые движутся по коробчатым металлическим проводникам. Расположение проводников относительно клети – одностороннее. Консольно-распорная армировка ствола №3, обладающая достаточной несущей способностью и жесткостными параметрами в горизонтальной и вертикальной плоскостях, обеспечила надежную работу подъема на проектных параметрах. Технико-экономический анализ целесообразности применения консольно-распорных схем армировки применительно к стволу шахты «Слепая №8» и к стволу «Вентиляционный №3» Яковлевского рудника показан в табл. 3.1. Таблица 3.1

Площадь для вентиляции,м2

Расход металла, т

Затраты эл.-энергии, млн .кВтч/год

годовая общая

за досрочный ввод

Схемы армировки

Экономическая эффективность, тыс. у.е.

Глубина ствола, м

Шахта, ствол

Предельное кол- во воздуха,м3 Коэффициент аэродинамического сопротивления α⋅103, Н⋅с2⋅⋅м-4

Сравнительный анализ схем армировки применительно к стволу шахты «Слепая» и «Вентиляционный №3»

330

10

80

42,9

146,5

1,73

-

-

330

10,25

82

12,2

108,2

0,49

30,9

1,85

740

41,59 384

23,2

764,4

3,86

-

-

740

41,59 384

6,2

270,2

1,03

549,3

215,5

«Слепая №8»

Вент. ствол №3 Яковлевского рудника

31

Как показывают результаты, приведенные в табл. 3.1, применение консольно-распорной армировки в сочетании с канатной вместо традиционной расстрельной позволяет снизить аэродинамическое сопротивление в 3,5-4 раза, сократить расход металла в 1,5-2 раза, сократить трудозатраты в 2 раза и увеличить темпы армирования до 500-600 м/мес. Наряду с достоинствами консольно-распорной армировки была установлена низкая несущая способность предложенных конструкций консолей в вертикальной плоскости, а также повышенная трудоемкость их изготовления. С учетом полученного опыта УкрНИИпроектом был разработан рабочий проект консольно-распорной армировки Северного вентиляционного ствола №2 Запорожского железорудного комбината [36] (рис. 3.6). Ствол пройден диаметром в свету 6 м глубиной 640 м и закреплен чугунными тюбингами и монолитной бетонной крепью класса В20 толщиной 500 мм. Ствол оборудован одноконцевым подъемом с концевой нагрузкой 23,5 т. Максимальная скорость подъема – 7,7 м/с. Армировка ствола комбинированная: для клети – консольно-распорная с коробчатыми проводниками 160×160×12 мм; для противовеса – канатная (4 каната диаметром 36,5 мм). В чугунной тюбинговой крепи кронштейны крепятся болтами, а в бетонной крепи закрепляются восемью анкерами. Каждый анкер из отрезка арматурной стали класса АП или АШ диаметром 32 мм закрепляется в шпуре двумя патронами ПНВ-01-40 с неорганическим быстротвердеющим вяжущим.

Рис. 3.6. Консольно-распорная армировка Северного вентиляционного ствола №2 ЗЖРК для клети, канатная – для противовеса 32

Консольно-распорная армировка аналогичной конструкции разработана для вспомогательного ствола №2 ЗЖРК [87] (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Консольно-распорная армировка вспомогательного ствола №2 ЗЖРК

Проведенный анализ консольно-распорных схем показал, что недостаточная несущая способность расстрелов в вертикальной плоскости делает нецелесообразным без существенного увеличения несущей способности применение таких схем в главных стволах, поэтому применение таких схем в главных стволах, поэтому такие армировки целесообразно применять для вспомогательных стволов шахт диаметром 4-6,5 м, оборудованных клетевыми подъемами. 3.1.3. Блочные армировки Перспективным направлением совершенствования конструкций армировки глубоких шахт с высокой интенсивностью подъема является использование в качестве несущих элементов блочных расстрелов. Посредством замены плоской конструкции яруса пространственной и рационального расположения облегченных элементов, достигаются весьма высокие прочностные и деформационные параметры работы армировки и значительное сокращение капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

33

Учеными и инженерами КГРТИ, Южгипрошахта, НИИОМШСа и др. [16, 17, 21, 36, 45] разработаны конструкции блочных армировок для клетевых и скиповых стволов с высокой интенсивностью подъема. Так для клетевого ствола диаметром 6,5 м предложена блочная армировка в виде двух параллельных П-образных рам (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Конструкция блочной армировки клетевого ствола с П-образными расстрелами

Для создания равнопрочного стыка в месте крепления проводников между П-образными рамами предусмотрены стойки из уголков профиля 160×160×12 мм. Проводники клети размещены снаружи, а проводники противовеса установлены внутри П-образных рам. Для скипового ствола диаметром 7 м разработана конструкция блочной армировки с V-образными расстрелами (рис. 3.9), состоящая из четырех отдельных блоков – узлов. Каждый блок представляет собой пространственную конструкцию в виде двух параллельных V-образных консольных рам из коробчатого профиля 210×138×16 мм. Вертикальные и горизонтальные связи изготовляются из уголка 100×100×12 мм. Проводники коробчатые. Под воздействием эксплуатационных нагрузок несущие элементы блока работают в основном в режиме растяжения, что повышает их жесткость и значительно снижает воздействие крутящих моментов на крепь в месте заделки расстрела.

34

Рис. 3.9. Конструкция блочной армировки скипового ствола с V-образными расстрелами

Институтом «Южгипрошахт» в типовых материалах для проектирования [91], кроме традиционных многорасстрельных схем армировки, разработаны прогрессивные комбинированные (расстрелы и консоли) и безрасстрельные схемы армировки. Последние рекомендуются для перспективного применения в опытном порядке. Разработанные типовые материалы стали основой для применения в горнодобывающей промышленности комбинированных армировок, с креплением проводников подъемных сосудов на расстрелах, а противовесов – на консолях. Проведенные испытания [36] показали, что блочные конструкции армировки имеют большую в 3-5 раз несущую способность и жесткость по сравнению с традиционными расстрелами, а узлы крепления с помощью анкеров обеспечивают надежное закрепление расстрелов к стенкам ствола. Кроме того практически все процессы при монтаже армировки выполняются механизированным способом. Достоинствами блочной армировки является также возможность крупноблочного монтажа на поверхности шахты путем соединения в один 12-метровый блок пространственных и плоских опорных конструкций с проводниками. Вместе с тем при длинных консолях блоки с учетом обеспечения необходимой несущей способности являются металлоемкими и сложными в изготовлении по сравнению с расстрелами. Выигрыш в монтаже зависит от общего числа элементов армировки, мест крепления к крепи и других факторов.

35

3.2. Технические предложения по унификации схем и конструкций безрасстрельной армировки

Выбор типов стволов, их количество и расположение определяется проектом вскрытия и разработки конкретного месторождения полезного ископаемого. Основными критериями при проектировании стволов шахт с их функциональным назначением должны являться: высокая надежность элементов армировки и подъемных сосудов при минимальных затратах на проветривание шахты, на изготовление и монтаж металлоконструкций и ремонтные работы во время эксплуатации. В настоящее время в угольной промышленности проектирование и строительство стволов шахт производится на основании типовых технических решений, разработанных головными институтами [24, 27, 39, 54, 77, 89, 90, 91]. Типовые сечения стволов ориентированы на действующие схемы расположения подъемных комплексов. Существенных изменений в области проектирования и разработки подъемных сосудов и в компоновке поверхности не ожидается. Поэтому разработка новых схем армировки должна осуществляться на основании ныне действующих схем подъемов. Широкое распространение получили типовые сечения стволов Южгипрошахта [91], которыми определены следующие параметры: – диаметр стволов; – глубина стволов; – число и тип подъемов в стволе; – число и тип подъемных сосудов в стволе; – сечение расстрелов и проводников; – расположение проводников относительно подъемных сосудов. Эти параметры ныне действующих сечений вертикальных стволов в качестве исходных данных были положены в основу разработки альтернативного ряда схем безрасстрельных армировок. При разработке указанного ряда схем были использованы графические методы, учитывающие габариты подъемных сосудов; конструкцию их направляющих устройств; зазоры, регламентируемые Правилами безопасности [55]; направление загрузки-разгрузки подъемных сосудов на горизонте и поверхности.

36

Кроме того ставилась задача снижения металлоемкости конструкции армировки и уменьшения аэродинамического сопротивления ствола путем рационального расположения элементов конструкции в сечении. Рекомендуемые сечения клетевых стволов с безрасстрельной (малорасстрельной) армировкой, разработанные авторами под руководством проф. Ф.И. Ягодкина на основе типовых материалов для проектирования [91], приведены на рис. 3.10 – 3.16; скиповых стволов – на рис. 3.17 – 3.19. Основные геометрические параметры безрасстрельных конструкций армировки для предусмотренных типовыми схемами, а также для теоретически возможных диаметров стволов приведены в табл. 3.2 – 3.11. Характеристики разработанных сечений и армировки клетевых и скиповых стволов и подъемов приведены соответственно в табл. 3.12 и 3.13. Анализ приведенных сечений стволов показывает, что все консольные расстрелы, входящие в разработанный альтернативный ряд безрасстрельных схем могут быть решены как консоли с распором под некоторым углом λ, изменяющимся от 0° (чисто консольная армировка) до 90° (консольно-распорная армировка). Длина консольных расстрелов может изменяться от 292 до 2290 мм. Схемы консолей, входящих в предлагаемый ряд, приведены на рис. 3.20. Приведенные схемы предусматривают крепление элементов армировки анкерами, причем опорная плита плотно прижимается анкерами к стенке ствола, а возможность регулирования длины консоли в случае радиального отклонения крепи ствола от проектного положения обеспечивается составной конструкцией консоли. Конструктивно консольные расстрелы представляют собой металлические балки, состоящие из двух отрезков двутаврового или коробчатого профиля. Один из отрезков имеет на конце приваренную опорную плиту с отверстиями под штанги анкеров и жестко крепится анкерами к бетонной крепи ствола. Второй отрезок консоли крепится к жестко установленному с помощью болтовых соединений, причем отверстия под болты имеют форму овала, вытянутого в направлении продольной оси балки, что позволяет регулировать положение консоли. Необходимая величина регулирования определена на основе анализа статистических данных по радиальным отклонениям стволов (см. п. 3.5) при разработке технологии армирования стволов такими конструкциями. Возможные конструктивные решения регулируемых консольных расстрелов приведены на рис. 3.21.

37

Рис. 3.10. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-1б Таблица 3.2 Геометрические параметры схемы К-1б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм ; Расстояние а, мм d = 6000 (типовой) а = 2500 d = 7000 а = 2500 d = 8000 а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 1219 b2 = 659

–

b1 = 1760 b2 = 1200 b1 = 2290 b2 = 1730

b1 = 1710 b2 = 1150 b1 = 2240 b2 = 1680

38

Рис. 3.11. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-2б Таблица 3.3 Геометрические параметры схемы К-2б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм ; Расстояние а, мм d = 7000 (типовой) а = 2400 d = 8000 а = 2400

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 1262 b2 = 1432

b1 = 1212 b2 = 1382

b1 = 1758 b2 = 1947

b1 = 1708 b2 = 1897

39

Рис. 3.12. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-3б Таблица 3.4 Геометрические параметры схемы К-3б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм; Расстояние а, мм d = 6000 а = 2500 d = 7000 (типовой) а = 2500 d = 8000 а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 780 b2 = 1056

–

b1 = 1350 b2 = 1619

b1 = 1200 b2 = 1429

b1 = 1899 b2 = 2099

b1=1749 b2=1946

40

Рис. 3.13. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-4б Таблица 3.5 Геометрические параметры схемы К-4б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм ; Расстояние а, мм d = 8000 (типовой) а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 1653 b2 = 1450

41

–

Рис. 3.14. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-5б Таблица 3.6 Геометрические параметры схемы К-5б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм; Расстояние а, мм d = 6000 а = 2500 d = 7000 а = 2500 d = 8000 (типовой) а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600 (типовые)

Геометрические параметры, мм b1 = 780 b2 = 1056 b1 = 1350 b2 = 1619

b1 = 1200 b2 = 1429

b1 = 1899 b2 = 2099

b1 = 1749 b2 = 1946

42

–

Рис. 3.15. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-6б Таблица 3.7 Геометрические параметры схемы К-6б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм ; Расстояние а, мм d = 6000 (типовой) а = 2500 d = 7000 а = 2500 d = 8000 а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 1219 b2 = 659

–

b1 = 1760 b2 = 1200 b1 = 2290 b2 = 1730

b1 = 1710 b2 = 1150 b1 = 2240 b2 = 1680

43

Рис. 3.16. Схема безрасстрельной армировки клетевого ствола К-7б Таблица 3.8 Геометрические параметры схемы К-7б Тип клети, габариты, мм Диаметр ствола d, мм ; Расстояние а, мм d = 6000 а = 2500 d = 7000 (типовой) а = 2500 d = 8000 а = 2500

1НВ400-9,0; 2НВ400-15,0 4000×1500 (типовые)

1НВ520-15,0; 2НВ520-15,0 5200×1600

Геометрические параметры, мм b1 = 1003 b3 = 503 b2 = 915 b4 = 415

–

b1 = 1558 b2 = 1673

b3 = 1058 b4 = 1173

b1 = 1608 b2 = 1723

b3 = 1108 b4 = 1223

b1 = 2096 b2 = 2196

b3 = 1596 b4 = 1696

b1 = 2146 b2 = 2246

b3 = 1606 b4 = 1746

44

Рис. 3.17. Схема безрасстрельной армировки скипового ствола С-1б Таблица 3.9 Геометрические параметры схемы С-1б Габариты скипов, мм Диаметр ствола d, мм d = 6000 (типовой) d = 7000 d = 8000

2 скипа 2230×1740 1 скип 1850×1540 с противовесом 1540×800 Геометрические параметры, мм b1 = 520 b2 = 457 b3 = 431 b1 = 1042 b2 = 969 b3 = 947 b1 = 1560 b2 = 1478 b3 = 1459

45

Рис. 3.18. Схема безрасстрельной армировки скипового ствола С-2б Таблица 3.10 Геометрические параметры схемы С-2б Габариты скипов, мм Диаметр ствола d, мм d = 6000

4 скипа 2230×1740 Геометрические параметры, мм – b1 = 556 b2 = 386 b3 =1370 b4 =1200 b1 =1178 b2 = 1008 b3 = 1870 b4 = 1700

d = 7000 (типовой)

d = 8000

46

Рис. 3.19. Схема безрасстрельной армировки скипового ствола С-3б Таблица 3.11 Геометрические параметры схемы С-3б Габариты скипов, мм Диаметр ствола d, мм d = 6000 d = 7000 (типовой) d = 8000

2 скипа 2350×1900 2 скипа 2230×1740 Геометрические параметры, мм – b1 = 907 b2 = 1007 b1 = 1732 b2 = 1832

47

Таблица 3.12

Число клетей и их размеры в плане, мм

Тип подъема

Глубина ствола, м

№ схемы

Диаметр ствола, м Число подъемов

Характеристики сечений и безрасстрельной армировки клетевых стволов и подъемов Тип проводников

Тип расстрелов (консолей)

Расположение проводников

Сечения широкого применения

К-1б

6

К-2б

7

К-3б

7

К-4б

8

К-5б

8

К-6б

6

К-7б

7

2 клети Короб- Боковое одностоРельсо- чатые роннее - для кле4000×1500, Однока2 клеть аварийно700 вые тей; лобовое однатный 170×104 Р43 ностороннее – для ремонтного ×10 противовесов подъема ОднокаБоковое одностоРельсо- Коробнатный, роннее – для клечатые 2 клети 700; вые 2 многотей; лобовое дву1400 Р43, 170×104 4000×1500 канатстороннее – для Р50 ×10 ный противовесов Короб- Коробчатые 2 клети 700; чатые 2 То же То же 1400 170×160 170×104 4000×1500 ×12 ×10 Боковое одностоРельсо- Короброннее – для клечатые 3 клети 700; вые 2 То же тей; лобовое од1400 Р43, 170×104 4000×1500 ностороннее - для Р50 ×10 противовесов Короб- Короб- Боковое одностоМногороннее – для клечатые чатые 2 клети 2 канат- 1400 тей; лобовое дву170×160 170×104 5200×1600 ный стороннее – для ×12 ×10 противовесов Сечения ограниченного применения Боковое односто2 клети роннее – для клеКороб4000×1500, тей 4000×1500; чатые Рельсоклеть аварий- Однокалобовое двусто2 700 натный вые Р43 170×104 роннее – для кленоремонтного ти аварийно×10 подъема ремонтного подъема КоробРельсо- чатые 2 То же То же 700 То же вые Р43 170×104 ×10

48

№ схе мы

С-1б

С-2б

С-3б

6

7

7

Число подъемов

Подъемные сосуды и их размеры в плане, мм

Глубина ствола, м

Диаметр ствола, м

Таблица 3.13 Характеристики сечений и безрасстрельной (малорасстрельной) армировки скиповых стволов и подъемов Тип проводников

Тип расстрелов (консолей)

700

Рельсовые Р43

Двутавр 27Са

Одноканатный, многоканатный

700; 1400

КоробКоробчатые чатые 172×160 170×104 ×12 ×10

Одноканатный, многоканатный

700; 1400

КоробКоробчатые чатые 200×190 212×130 ×12 ×16

Тип подъема

Сечения широкого применения 2 скипа вм.11;15 м3; (2230×1740) Однока1 скип вм.7; 9,5 м3 натный (1850×1540)

Один угольный, один породный Один угольный, 4 скипа вм.11;15 м3; один уголь(2230×1740) нопородный Один 2 скипа вм.25;35 м3; угольный, (2350×1900) 2 скипа один угольвм.11; 15 м3; но(2230×1740) породный

Таким образом, на основе действующих типовых сечений вертикальных стволов Южгипрошахта был разработан альтернативный ряд сечений с безрасстрельными (малорасстрельными) армировками, включающий 7 наиболее распространенных сечений клетевых и 3 сечения скиповых стволов и определены основные геометрические характеристики разработанных сечений. а)

б)

в)

Рис. 3.20. Схемы консолей и их основные геометрические параметры: а – консоль с распором под углом λ = 90°; б – консоль с распором под углом λ < 90°; в – одинарная консоль (λ = 0°); 1,2 – точки крепления проводников

49

Рис. 3.21. Конструкции регулируемых консолей: а, б – для консоли из двутавра; в, г – для консоли из коробчатого профиля; 1 – анкер; 2 – опорная плита; 3 – ребро жесткости; 4 – фланцевая накладка; 5 – телескоп; 6 – консоль; 7 – болт; 8 – накладка

Предложенные конструктивные решения консолей обеспечивают регулировку их положения в горизонтальной плоскости вдоль продольной оси консоли и двойную регулировку вдоль и поперек оси.

50

3.3. Исследование параметров безрасстрельной армировки на конечно-элементной модели 3.3.1. Построение конечно-элементной модели консольно-распорной армировки Для оценки жесткости безрасстрельных армировок и исследования возникающих под действием внешних нагрузок напряжений и деформаций элементов армировки авторами была разработана пространственная конечно-элементная модель консольно-распорной армировки. (рис. 3.22). Для более точного соответствия реальной конструкции в модель включены 3 связанных между собой яруса такой армировки. На модели рассматривается нагружение среднего яруса в момент передачи на него силовых воздействий от движущегося подъемного сосуда, при этом оценивается наиболее тяжелый случай работы безрасстрельной армировки, когда к каждой консоли крепятся два проводника. В качестве исходных данных для построения модели взяты основные параметры схемы К-2б из альтернативного ряда безрасстрельных армировок (рис. 3.11): профиль консоли и распора – двутавр № 27С, профиль проводника – рельс Р43, шаг армировки – 4168 мм, длина консоли – 1200 мм, длина распора – 887 мм. Построение конечно-элементной модели и расчет параметров конструкции произведены с помощью компьютерного вычислительного комплекса «Зенит». Построение модели включает в себя следующие основные этапы: 1) Выбор системы и начала координат и ориентация осей координат в пространстве. Для построения модели используется прямоугольная трехмерная система координат, начало которой совпадает с точкой крепления к консоли проводника, наиболее удаленного от заделки. Для большей наглядности и соответствия реальной конструкции модель ориентирована в пространстве следующим образом: каждый ярус (консоль с распором) расположен в своей горизонтальной плоскости XY, а проводники направлены параллельно вертикальной оси Z. 2) Расстановка узлов модели и разбивка на конечные элементы. В качестве узлов приняты точки, ограничивающие участки конструкции с одинаковыми механическими свойствами или определяющие пространственное расположение конструкции и граничные условия. Таким образом, горизонтальный ярус содержит следующие узлы: 1 и 3 – точки крепления рельсовых проводников к консоли, 2 – точка соединения консоли с распором, 4 и 5 – точки крепления яруса к бетонной крепи ствола. Для более корректного и точного моделирования процесса нагружения армировки, в частности, точек приложения сил, возникающих при движении подъемных сосудов, каждый рельсовый проводник разбит на 4 конечных элемента (подошву, шейку, нижнюю и верхнюю части головки) прямоугольного се51

чения. Таким образом, рельсовые проводники в точках их крепления к консоли содержат по 5 узлов (первый проводник – узлы 1, 6-9; второй – узлы 3, 10-13). Распределение узлов и конечных элементов конструкции в двух других ярусах аналогично рассмотренному. 3) Определение координат узлов. Координаты узлов модели рассчитываются, исходя из геометрических параметров элементов конструкции, их сорасположенности в пространстве и выбранного направления координатных осей, при этом в качестве положительного направления горизонтальной оси X принято направление вдоль консоли от ее конца к крепи ствола; горизонтальной оси Y – по нормали к консоли от ее конца к направляющему устройству подъемного сосуда; вертикальной оси Z – сверху вниз. 4) Задание геометрических параметров и механических свойств элементов модели. В качестве профилей элементов консоли и распора приняты параметры двутавра 27С; в Рис. 3.22. Схема конечно-элементной качестве профилей элементов промодели консольно-распорной водников в точках крепления их к армировки консолям условно приняты прямоугольники, получаемые путем сечения рельса Р43 тремя параллельными подошве рельса плоскостями, проходящими через середины подошвы, шейки и головки рельса. При этом считается, что подошва, шейка и головка рельсовых проводников жестко соединены между собой, а длина каждого прямоугольного сечения равна высоте профиля консоли (двутавра 27С). В качестве механических свойств всех элементов модели приняты свойства стали. 5) Моделирование конечных кинематических условий. Реально существующие узлы крепления консолей и распоров к монолитной бетонной крепи ствола посредством анкеров различных конструкций не позволяют обеспечить бесконечную жесткость и абсолютную неподвижность узла, поэтому узлы 4 и 5 не могут быть смоделированы как жесткие заделки. 52

Для более точного соответствия реальной конструкции и получения дополнительного запаса надежности, узлы крепления консолей и распоров анкерами (узлы 4, 5, 17, 18, 30, 31) моделируются шарнирно-неподвижными опорами. Учет влияния на состояние конструкции рельсовых проводников, расположенных выше и ниже моделируемого участка, осуществляется включением в модель еще четырех шарнирно-неподвижных опор, ограничивающих оба проводника над верхним (узлы 40 и 41) и под нижним ярусами (узлы 42 и 43) модели. 6) Моделирование внешней нагрузки на элементы армировки. Исходя из существующей Методики расчета жестких армировок [39] и анализа степени влияния на устойчивость консольно-распорных армировок различных силовых воздействий, в модели приняты следующие группы нагрузок, приложенных к среднему ярусу: а) от движущихся подъемных сосудов (передаются на рельсовые проводники): – Fлоб – лобовые силы, приложенные к торцевым поверхностям головок рельсов (узлам 9 и 13) против направления оси Y; – Fбок – боковые силы, приложенные к серединам боковых поверхностей головок рельсов (узлам 8 и 12) против направления оси X; б) от собственного веса конструкции армировки: – Fт – вес рельсов, приложенный вдоль проводников по направлению оси Z к узлам 8 и 12; – qк – равномерно распределенная по длине нагрузка от веса консоли, приложенная к элементам 1-2, 2-3 и 3-4; – qр – равномерно распределенная по длине нагрузка от веса распора, приложенная к элементу 2-5. Принятые в модели величины боковой и лобовой сил, действующих на армировку со стороны подъемного сосуда, были определены согласно Методике расчета жестких армировок вертикальных стволов, исходя из учета движения с максимальной скоростью (12 м/с) груженой клети 2НОВ 400-15,0, предусмотренной типовой схемой К2. 3.3.2. Расчет параметров безрасстрельной армировки на конечно-элементной модели Консольно-распорная армировка Для проверки обеспечения необходимой жесткости и оценки работоспособности и надежности конструкции безрасстрельной армировки, с помощью вышеописанной модели был произведен расчет смещений узлов, силовых факторов и напряжений в элементах и опорных реакций, возникающих под воздействием реальных нагрузок на армировку, наблюдающихся в практике. 53

Расчет рабочих параметров армировки производился с помощью компьютерного вычислительного комплекса «Зенит», реализующего метод конечных элементов. Как показывают произведенные расчеты, в наиболее тяжелых условиях работы находится элемент 1-2 (отрезок консоли между ее концом, обращенным в ствол, и точкой присоединения распора), в котором возникают максимальные для всей конструкции напряжения и наблюдаются максимальные горизонтальные смещения в направлении, параллельном оси Y, образующиеся при воздействии на консоль лобовой силы от движущегося подъемного сосуда. Кроме того, несколько меньшие, но все же значительные напряжения от воздействия преимущественно боковой, а также лобовой сил, возникают в стойках рельсовых проводников, причем напряжения в стойках верхнего и нижнего яруса почти так же велики, как и в среднем ярусе, на который в рассматриваемый момент времени приходится основная нагрузка от движущегося подъемного сосуда. Высокие напряжения наблюдаются также в элементе 2-3 (части консоли между распором и точкой крепления второго проводника). В остальных элементах консольнораспорной армировки: в части консоли, непосредственно примыкающей к крепи ствола; в распоре; в подошвах и головках рельсовых проводников, – возникают относительно небольшие напряжения, составляющие 0,3 – 17% от максимальных. Результаты расчета показали, что при воздействии на консольнораспорную армировку реально действующих нагрузок максимальные смещения не превысили 3,3 мм (узел 1), а в среднем составили: в направлении оси X – 0,26 мм, оси Y – 1,6 мм, оси Z – 0,01 мм. Максимальные напряжения составили 195 МПа (элемент 1–2). Таким образом, расчетные значения смещений узлов и напряжений элементов не превышают допустимых, что свидетельствует о работоспособности консольно-распорной армировки с точки зрения обеспечения необходимой жесткости конструкции и недопущения сверхустановленных напряжений и деформаций. Консольная армировка В результате преобразования вышеописанной модели консольнораспорной армировки была разработана модель чисто консольной армировки с аналогичным первой модели расположением проводников. Произведенный расчет такой конструкции показал, что напряжения, возникающие в элементах модели, несколько ниже, чем в соответствующих элементах консольно-распорной армировки, однако, смещения отдельных узлов значительно превышают допустимые для рельсовых проводников (15 мм) даже при минимально возможной длине консоли, поэтому проектирование чисто консольной армировки с креплением на одной консоли двух проводников нецелесообразно. 54

Расчет параметров консольной армировки с креплением на конце консоли одного проводника показал, что использование в качестве профиля консоли двутавра (даже максимально возможного для закрепления анкерами типоразмера) при рельсовых проводниках не обеспечивает требуемой жесткости конструкции при реальных нагрузках. Применение коробчатых консолей, обладающих лучшими по сравнению с двутаврами инерционными характеристиками, в сочетании с рельсовыми проводниками ограничивается небольшой длиной консоли (400-600 мм) и невысокой интенсивностью подъема (1-2·106 Дж). Наилучшим с точки зрения обеспечения требуемого режима работы армировки при большей интенсивности подъема является сочетание коробчатых консолей с коробчатыми проводниками. Такие консольные армировки позволяют увеличить минимально допустимую длину консоли при невысокой интенсивности подъема (до 1,5·106 Дж) до 800-2200 мм в зависимости от шага армировки и обеспечить безопасную эксплуатацию подъема с интенсивностью до 3,5-5·106 Дж при небольшой длине (400-600 мм) консоли. Изменение длины консоли и шага армировки при моделировании позволило определить максимально допустимые длины одинарных консолей для различных значений интенсивностей подъема, шага армировки и типов проводников (табл. 3.14), тем самым определить области применения консольных и консольно-распорных армировок. Таблица 3.14 Допустимые длины консолей при проектировании чисто консольных армировок Интенсивность подъема, Дж ≤ 1⋅ 106 1⋅106 ÷ 1,44⋅ 106 1,45⋅106 ÷ 1,73⋅106 1,74⋅106 ÷ 2,16⋅106 > 2,16⋅106 ≤ 1⋅ 106 1⋅106 ÷ 1,44⋅ 106 1,45⋅106 ÷ 1,73⋅106 1,74⋅106 ÷ 2,16⋅106 2,17⋅106 ÷2,88⋅106 2,89⋅106 ÷ 3,6⋅ 106 3,61⋅106 ÷ 4,32⋅106 4,33⋅106 ÷ 5,04⋅106 > 5,04⋅106

Максимально допустимая длина консоли l, мм при шаге армировки h , м 2-3 3-4 4-5 >5 Для рельсовых проводников 400 440 500 600 350 400 490 350 440 консольно 380 распорная армировка Для коробчатых проводников не ограничена 2200 1500 1100 1000 1200 1000 900 600 800 750 750 450 600 600 650 350 500 500 550 420 430 460 350 370 410 консольно 380 распорная армировка 55

3.3.3. Исследование влияния геометрических параметров армировки на жесткость конструкции Консольно-распорная армировка С помощью модели была исследована зависимость жесткости армировки в точках крепления проводников от геометрических параметров ее элементов и их расположения в конструкции, а именно: от расстояний а1 и а2 между распором и точками приложения сил (крепления проводников) и от угла λ между консолью и распором (рис. 3.20, б). В результате исследований было установлено, что в зависимости от места расположения проводника относительно распора на жесткость системы в точках крепления проводников влияют различные параметры. При расположении проводника на отрезке между точкой присоединения распора и свободным концом консоли (проводник 1) наибольшее влияние на лобовую и боковую жесткости консоли в точке 1 (рис. 3.23, а), оказывает расстояние а1 между распором и точкой крепления проводника. Полученная зависимость логарифма геометрического коэффициента ослабления жесткости Кж от параметра а1 приведена на рис. 3.23, б. а)

б)

Рис. 3.23. Зависимость логарифма геометрического коэффициента ослабления лобовой жесткости в точке 1 от параметра а1: а – расчетная схема; 2 – график зависимости 56

При расположении проводника на отрезке консоли между точкой присоединения распора и крепью ствола (проводник 2, рис. 3.24, а) лобовая жесткость консоли в точке 2 максимально зависит от величины l – а2 , т.е. расстояния между крепью ствола и точкой 2, причем наименьшее значение жесткости будет наблюдаться при l – а2 = l/2 (рис. 3.24, б).

а)

б)

Рис. 3.24. Зависимость логарифма геометрического коэффициента ослабления лобовой жесткости в точке 2 от параметра l – а2: а – расчетная схема; б – график зависимости

В реальных конструкциях узлов крепления консолей к монолитной бетонной крепи анкерами достаточно сложно обеспечить предельно высокую жесткость и устранить перемещения, которые могут нарушить цело57

стность крепи в местах заделки и ухудшить условия работы армировки. В связи с этим необходимо проектировать консольно-распорные армировки с такими геометрическими параметрами, при которых опорные реакции (усилия, возникающие в узлах крепления консолей и распоров) распределяются равномерно, а, следовательно, снижаются напряжения в узлах и минимально ослабляется жесткость в результате разрушения материала заделки. С этой целью было проведено исследование влияния геометрических параметров армировки на ослабление жесткости из-за неравномерного распределения усилий в опорах и возникновения деформаций бетона в заделках, в результате которого установлены следующие зависимости. Для точки 1 (см. рис. 3.20, а, б) боковая и лобовая жесткости зависят от отношения расстояния между распором и точкой крепления проводника 1 к длине консоли между крепью и распором, т.е. от величины a1/l, причем условия работы заделок будут оптимальными при a1/l =1 и наиболее неблагоприятными при a1/l = 0, поэтому не рекомендуется устанавливать распор близко к точке крепления проводника. Зависимости коэффициентов ослабления лобовой и боковой жесткости ν в точке 1 от параметра a1/l приведены на рис. 3.25, а и 3.25, б. Для точки 2 лобовая и боковая жесткости зависят от параметра a2/l, при этом ослабление лобовой жесткости в этой точке вследствие деформации материала заделки анкеров будет минимальным при a2/l = 0,4…0,65 в зависимости от величины l и прочности материала заделки анкеров, а ослабление боковой жесткости при a2/l = 0,3…0,4. Таким образом, оптимальный режим работы заделок обеспечивается при a2/l = 0,4. Наиболее неблагоприятные условия работы заделок возникают при a2/l → 0 и a2/l → 1, т.е. при близком расположении проводников у заделок или распоров. Зависимости коэффициента ослабления лобовой и боковой жесткости ν в точке 2 от параметра a2/l приведены на рис. 3.26, а, б. Эти зависимости были использованы при разработке Методики расчета жесткости безрасстрельных армировок и составлении компьютерной программы, реализующей указанную методику (см. п. 3.4). Исследования влияния на жесткость системы угла λ между консолью и распором показали, что максимальной жесткостью обладают конструкции с углом λ = 90°, однако в некоторых схемах безрасстрельной армировки установка распоров под прямым углом к консоли требует значительного увеличения длины распора, что приводит к неоправданному повышению металлоемкости и ухудшению жесткостных характеристик конструкции, поэтому в таких схемах рациональнее устанавливать распор под некоторым углом λ < 90° (в реальных схемах этот угол колеблется в пределах 40-60°). 58

а)

б)

Рис. 3.25. Зависимости коэффициента ослабления жесткости ν в точке 1 от параметра а1 / l: а – для лобовой жесткости; б – для боковой жесткости

59

а)

б)

Рис. 3.26. Зависимости коэффициента ослабления жесткости ν в точке 2 от параметра а2 /l: а – для лобовой жесткости; б – для боковой жесткости

Исследования, проведенные но конечно-элементной модели, показывают, что при изменении угла λ в пределах от 40 до 70° жесткость системы изменяется незначительно и составляет: в боковом направлении – 78-82%, в лобовом направлении – 83-87% от жесткости системы с углом λ = 90°, поэтому расчет жесткости консольно-распорной армировки с углом λ < 90° может производиться аналогично расчету армировки с λ = 90° с учетом следующих дополнительных коэффициентов ослабления: для боковой жесткости Кλб = 0,8, для лобовой жесткости Кλл = 0,85. Зависимость коэффициента ослабления лобовой жесткости Кλл от угла λ приведена на рис. 3.27, а, боковой жесткости Кλб – на рис. 3.27, б. 60

Рис. 3.27. Зависимость коэффициента ослабления лобовой жесткости К λл от угла λ

Рис. 3.28. Зависимость коэффициента ослабления боковой жесткости Кλб от угла λ

61

Консольная армировка Изучение модели консольной армировки с расположением на конце консоли одного проводника (рис. 3.29, а) показало, что жесткость консоли в точке крепления проводника значительным образом зависит от длины консоли l. Зависимость логарифма геометрического коэффициента ослабления жесткости Кж от длины консоли приведена на рис. 3.29, б. а)

б)

Рис. 3.29. Зависимость логарифма геометрического коэффициента ослабления лобовой жесткости в точке 1 от длины консоли: а – расчетная схема; б – график зависимости

Проектирование такой конструкции армировки допустимо только до определенной длины консоли, которая обеспечивала бы требуемую жесткость при воздействии ожидаемых нагрузок. Проведенные исследования показали, что значение максимально возможной длины консоли в большей степени зависит от интенсивности подъема и шага армировки, которые определяют величину нагрузки на консоль. При этом с увеличением шага армировки, с одной стороны ослабляется конструкция армировки, что приводит к нежелательному увеличению прогибов; а с другой стороны снижается нагрузка, приходящаяся на консоль. В результате исследования данных противодействующих факторов установлено, что влияние первого из них является преобладающим при сравнительно низкой интенсивности 62

подъема; в этом случае с увеличением шага армировки значительно снижается допустимая длина консоли. При повышении интенсивности подъема до 2,5÷4·106 Дж преобладающее значение приобретает второй фактор, поэтому с увеличением шага армировки возрастает возможная длина консоли, обеспечивающая требуемую жесткость. Найденные значения допустимых длин консолей для разной интенсивности подъема, шага армировки и типа проводников приведены в табл. 3.14. При необходимости установки консоли длиной, выше допустимой для данной интенсивности и шага армировки, следует переходить к консольно-распорным армировкам. Аналогично консольно-распорным армировкам было исследовано ослабление жесткости конструкции от влияния заделок и для чисто консольных армировок. Зависимость коэффициента ослабления лобовой жесткости νл вследствие расшатывания заделок от длины консоли (плеча приложения лобовой силы) приведена на рис. 3.30, а коэффициента ослабления боковой жесткости λб от длины консоли – на рис. 3.31.

Рис 3.30. Зависимость коэффициента ослабления лобовой жесткости νл от длины консоли

63

Рис. 3.31. Зависимость коэффициента ослабления боковой жесткости νб от длины консоли

Данные зависимости с учетом параметров анкеров и прочностных свойств материала заделки были использованы при разработке методики расчета безрасстрельных армировок (п. 3.4).

3.4. Методические основы расчета безрасстрельных армировок 3.4.1. Основные положения Проектирование, изготовление и монтаж металлоконструкций армировки ствола в настоящее время осуществляются в соответствии с требованиями следующих нормативных документов: СНиП II-94-80 «Подземные горные выработки предприятий по добыче полезных ископаемых. Нормы проектирования»; СНиП 3.02.03-84 «Подземные горные выработки и работы. Правила производства и приемки работ»; СНиП II-23.81* «Стальные конструкции. Нормы проектирования»;

64

СНиП III-18-75 «Металлические конструкции. Правила изготовления, монтажа и приемки»; СНиП 2.03.01-84* «Бетонные и железобетонные конструкции. Нормы проектирования»; «Инструкции по производству маркшейдерских работ»; «Правил безопасности в угольных шахтах». Расчет основных параметров армировки по условиям устойчивости движения подъемного сосуда в зависимости от его конструктивных особенностей, скорости и грузоподъемности производится согласно действующей «Методики расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт», разработанной во ВНИИГМ им. М.М. Федорова [39]. Данная «Методика...» включает в себя расчет основных характеристик и параметров элементов армировок, входящих в типовые схемы ярусов армировки клетевых и скиповых стволов [91]. В настоящей главе приведена разработанная методика расчета элементов армировки, входящих в альтернативный ряд безрасстрельных схем с креплением консолей анкерами, а именно: одинарных консольных (чисто консольных) армировок и консолей с закрепленным под некоторым углом (0 < λ ≤ 90°) распором (консольно-распорных армировок). Все схемы консолей безрасстрельных армировок могут быть сведены к трем основным типам элементов, приведенных на рис. 3.32.

Рис. 3.32. Схемы консолей: 1 – консоль с распором под углом λ = 90°; 2 – консоль с распором под углом λ < 90°; 3 – одинарная консоль (λ = 0°).

Методика расчета безрасстрельных армировок разработана для трех указанных схем консолей на основе действующей «Методики …» [39] с учетом проведенных с помощью компьютерного моделирования исследований (см. п. 3.3) и включает: – определение жесткостных характеристик расстрельных балок; – определение горизонтальных динамических нагрузок, действующих в системе «сосуд-армировка»; – расчет максимальных прогибов проводников; – расчет максимальных напряжений в элементах армировки. 65

3.4.2. Определение жесткостных характеристик консольных балок С учетом проведенных исследований предлагается следующий алгоритм расчета жесткости безрасстрельных армировок [58, 62]. Согласно указанной «Методики ...» [39] жесткость консольных балок определяем в местах крепления проводников – точках 1 и 2 (рис. 3.33). Расчет коэффициента заделки β. Для учета прочностных параметров материала заделки анкеров и инерционных характеристик стержней анкеров, служащих для крепления консолей к монолитной бетонной крепи, используем комплексный параметр – коэффициент заделки β, 1/м, равный:

β =4

К 0 Dн , 4EI а

где К0 – коэффициент жесткости материала заделки анкеров на сжатие, Н/м3; Е – модуль продольной упругости материала анкеров, Н/м2; Ia – момент инерции поперечного сечения анкера относительно центральной оси, м4, равный: 4 πDн4   Dв   1 −   ; – для трубчатого анкера I а = 64   Dн     πDн4 – для анкера из периодического профиля I а = , 64 здесь Dн, Dв – соответственно наружный и внутренний диаметры анкера, м Определение лобовой жесткости. Расчетные схемы для определения лобовой жесткости вышеописанных консолей приведены на рис. 3.33. С учетом проведенных исследований (п. 3.3) получены следующие формулы для определения жесткости по каждой из расчетных схем. Консоль с распором под углом λ = 90° (рис. 3.32, поз. 1, расчетная схема – рис. 3.33, а). Жесткость балки в точке 1 определяется формулой

C1л =

3EI zν a13

,

(3.1)

где Е – модуль продольной упругости материала балки, Н/м2; Iz – момент инерции поперечного сечения балки относительно центральной вертикальной оси, м4; ν – коэффициент ослабления жесткости балки в точке 1 в лобовом направлении вследствие влияния заделки анкеров, определяемый в зависимости от параметров κ = β l и а1/l по графику, приведенному в прил. 1 на рис. П. 1.1. 66

а)

б)

в)

Рис 3.33. Расчетные схемы для определения лобовой жесткости консолей: а – консоль с распором под углом λ = 90°; б – консоль с распором под углом λ