Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технических и технологических решений крепления и армирования вентиляционных стволов 11
1.1 Проблемные аспекты применения набрызгбетонной крепи в вертикальных стволах. Определение объекта и предмета исследования 11
1.2 Возможные направления преодоления проблем совместной эксплуатации крепи и армировки вентиляционных стволов
1.2.1 Снижение затрат на проветривание горнодобывающих предприятий 23
1.2.2 Повышение надежности закрепления жесткой армировки к крепи ствола и их совместной работы 26
1.2.3 Повышение эффективности работы системы «подъемный сосуд – армировка» 35
1.3 Выводы по главе 1 41
2 Технические решения безъярусной армировки вентиляционных стволов 43
2.1 Концепция безъярусной армировки вентиляционных стволов 43
2.2 Разработка конструктивных элементов безъярусной армировки вентиляционных стволов 46
2.3 Разработка схем безъярусной армировки вентиляционных стволов с на-брызгбетонной крепью 52
2.4 Выводы по главе 2 59
3 Определение фактических геометрических параметров безъярусной армировки с учетом технологических отклонений контура ствола от проектного положения 60
3.1 Параметры, влияющие на фактические размеры поперечного сечения стволов с набрызгбетонной крепью з
3.2 Анализ средних отклонений контура крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности в различных условиях 64
3.3 Рекомендации по определению геометрических параметров анкерных опор безъярусной армировки с учетом технологических отклонений контура набрызгбетонной крепи 78
3.4 Выводы по главе 3 81
4 Анализ напряженно-деформированного состояния узлов крепления безъярусной армировки 83
4.1 Постановка задачи исследования 83
4.2 Анализ напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов безъярусной армировки 88
4.3 Анализ напряженно-деформированного состояния участков заделки безъярусной армировки 101
4.4 Анализ напряженно-деформированного состояния набрызгбетонной крепи с учетом влияния нагрузок от армировки и технологических отклонений ее контура 106
4.5 Выводы по главе 4 110
5 Методика проектирования безъярусной армировки вентиляционных стволов 113
5.1 Обоснование параметров безъярусной армировки с переменным шагом с учетом технологических отклонений контура ствола 114
5.1.1 Последовательность расчета безъярусной армировки с переменным шагом на эксплуатационные нагрузки 114
5.1.2 Определение оптимальных параметров безъярусной армировки с переменным шагом. Пример реализации решений 118
5.2 Обоснование параметров проводников безъярусной армировки с учетом температурных деформаций 121
5.2.1 Расчет протяженных звеньев проводников безъярусной армировки на температурные нагрузки 123
5.2.2 Обоснование параметров звеньев проводников безъярусной армировки
5.3 Технико-экономическая оценка эффективности предложенных решений безъярусной армировки 127
5.4 Выводы по главе 5 131
Заключение 132
Список литературы
- Снижение затрат на проветривание горнодобывающих предприятий
- Разработка схем безъярусной армировки вентиляционных стволов с на-брызгбетонной крепью
- Анализ средних отклонений контура крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности в различных условиях
- Анализ напряженно-деформированного состояния набрызгбетонной крепи с учетом влияния нагрузок от армировки и технологических отклонений ее контура
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Вентиляционные и воздухоподаю-щие стволы (далее по тексту вентиляционные) являются неотъемлемой частью системы проветривания угольных шахт и рудников, отрабатывающих запасы полезного ископаемого с больших глубин. Подача воздуха в стволы в настоящее время осуществляется вентиляторными установками с электродвигателями мощностью 500 - 3000 кВт и более. Их коэффициент полезного действия на практике не превышает 0,35, таким образом более 70% электроэнергии, расходуемой на проветривание, приходится на потери. Одна из причин – высокое аэродинамическое сопротивление вентиляционных стволов, загроможденных армировкой, подъемными сосудами и коммуникациями.
Для повышения технико-экономической эффективности строительства и эксплуатации вентиляционных стволов, пройднных в устойчивых породах, в соответствии с требованиями СП 91.13330.2012 Подземные горные выработки следует применять ресурсосберегающую набрызгбетонную либо комбинированную крепь и гибкую армировку. Однако при глубинах стволов более 750 -1000 м применение гибкой армировки затруднено из-за большого веса канатов, натяжных устройств, а также необходимости увеличения диаметра ствола, если площадь его поперечного сечения принята по габаритам подъемных сосудов и соответствующим зазорам. В связи с этим на практике в глубоких стволах повсеместно применяется монолитная бетонная крепь и жесткая армиров-ка, не отвечающие критериям технико-экономической эффективности.
С увеличением глубин современных вертикальных стволов, сложности и металлоемкости конструкций армировки данная проблема становится все более актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в решение задач, связанных с исследованием аспектов совместной работы крепи и армировки вертикальных стволов, внесли И.В. Баклашов, А.А. Богомазов, М.М. Вяльцев, Н.Г. Гаркуша, И.Г. Горенцвейг, И.Е. Долгий, И.Б. Доржинкевич, О.А. Залесовов, С.Р. Ильин, Б.А. Картозия, В.В. Левит, И.Г. Манец, И.А. Мар-тыненко, А.Ю. Прокопов, И.И. Савин, А.С. Саммаль, С.Г. Страданченко, П.С. Сыркин, Ф.И. Ягодкин и многие другие ученые.
Результатами многолетних исследований стали научно-методические основы проектирования и расчета жестких и канатных армировок вертикальных стволов в различных условиях. Разработаны безрасстрельные схемы армировки, способы крепления несущих элементов армировки на анкерах, конструкции армировки с ограниченной податливостью и возможностью радиального регулирования. В то же время эти решения адаптированы для применения в
стволах с монолитной бетонной крепью, а теоретические и практические вопросы, связанные с изучением совместной работы жесткой армировки и набрызгбетонной крепи, остаются не рассмотренными.
Набрызгбетонная крепь характеризуется минимальной толщиной,
значительными отклонениями и неровностью контура, что делает
затруднительным применение типовой жесткой армировки ярусного типа и
отрицательно сказывается на ее прочностных и деформационных параметрах.
Закрепление несущих элементов армировки осуществляется в крепи и
породном массиве, влияние которого в существующих методиках расчта
армировки не учитывается, а динамические воздействия от движущихся
подъемных сосудов не рассматриваются при обосновании параметров
набрызгбетонной крепи. Таким образом, возникает необходимость
комплексного рассмотрения системы «безъярусная армировка –
набрызгбетонная крепь – породный массив» и дальнейшего поиска и
обоснования эффективных решений для армирования глубоких
вентиляционных стволов.
На основании этого, целью работы является обоснование технических и технологических решений безъярусной армировки вентиляционных стволов, закрепленных набрызгбетонной крепью, обеспечивающих снижение строительных и эксплуатационных затрат.
Идея работы. Повышение эффективности армирования вентиляционных стволов достигается применением армировки с независимым креплением протяженных звеньев проводников к набрызгбетонной крепи ствола на анкерных опорах (безъярусная схема), параметры и переменный шаг установки которых определяются с учетом технологических отклонений контура набрызгбетонной крепи, взаимодействия системы «безъярусная армировка – набрызгбетонная крепь – породный массив» и температурного режима ствола.
Задачи исследований:
разработка типовых элементов и схем безъярусной армировки вентиляционных стволов с высокими технико-экономическими показателями;
статистический анализ величин отклонений фактического контура на-брызгбетонной крепи ствола от проектных размеров, обоснование параметров армировки, адаптированной для применения в стволах, закрепленных набрыз-гбетоном;
- анализ напряженно-деформированного состояния системы «безъярус
ная армировка – набрызгбетонная крепь – породный массив» в различных ус
ловиях;
- разработка конструктивно-технологической схемы и методики проектирования безъярусной армировки вентиляционных стволов с учетом влияния технологических отклонений крепи и температурного режима ствола.
Научная новизна выполненных исследований:
-
Впервые обоснованы параметры анкерных опор безъярусной армиров-ки вентиляционных стволов с учетом технологических отклонений набрызгбе-тонной крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности ее контура.
-
Установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния безъярусной армировки при различных параметрах несущих узлов, набрызгбетонной крепи и окружающих ствол горных пород, отличающиеся учетом негативного влияния технологических отклонений контура крепи и позволяющие усовершенствовать методику расчета безъярусной армировки.
-
Разработана конструктивно-технологическая схема и методика проектирования безъярусной армировки с переменным шагом, в отличие от известных ранее, учитывающая влияние отклонений контура набрызгбетонной крепи от проектного положения и температурные деформации протяженных звеньев проводников, позволяющая повысить технико-экономическую эффективность армирования вентиляционных стволов.
Теоретическая значимость работы заключается в приращении знаний о работе жесткой армировки в вертикальных стволах с набрызгбетонной крепью с учетом технологических отклонений ее контура, влияния свойств окружающего породного массива и температурного режима, что расширит возможности создания эффективных технических и технологических решений по армированию глубоких вентиляционных стволов.
Практическое значение работы состоит в разработке новых технических и технологических решений безъярусной армировки вентиляционных стволов, позволяющих уменьшить эксплуатационные затраты на проветривание подземных выработок горнодобывающего предприятия и сократить стоимость строительства стволов.
Методы исследований. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий: статистический анализ технологических отклонений сечения ствола от проектного положения, математическое моделирование конструкций безъярусной армировки в различных условиях, лабораторные испытания анкерных узлов крепления армировки; технико-экономический анализ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Параметры анкерных опор безъярусной армировки должны определяться с учетом технологических отклонений набрызгбетонной крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности ее контура. Между данными величинами в диапазоне отклонений 0 - 0,35 м наблюдается средняя корреляционная связь (r = 0,6), а их негативное влияние компенсируется путем установки анкеров узла крепления армировки под углом 75 - 850 к опорной плите и увеличением их поперечного сечения.
-
Наступление предельных состояний первой группы в узлах крепления безъярусной армировки обусловлено возникновением чрезмерных эквивалентных напряжений в материале заделки анкеров и напряжений среза на контакте «анкер – заделка», которые должны определяться с учетом влияния технологических отклонений и неровностей набрызгбетонной крепи, прочностных и деформационных характеристик крепи и окружающих горных пород. Наличие пород с модулем деформации в 1,5 - 2 раза меньшим, чем у набрызгбетонной крепи приводит к росту средних срезающих напряжений в материале заделки до 10%.
3. Применение конструктивно-технологической схемы безъярусной ар-
мировки с протяженными звеньями проводников, закрепленными на анкерных
опорах с переменным шагом (0,51,5)hср, где hср – средний шаг армировки, по
зволяет исключить необходимость расположения узлов крепления на участках
ствола с критическими отклонениями контура набрызгбетонной крепи. Макси
мальная длина протяженного звена проводника при этом определяется темпе
ратурным режимом ствола и может изменяться в диапазоне 25 - 75 м по его
глубине.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, значительным объемом проанализированных статистических данных по отклонениям сечений стволов от проектного положения (всего исследовано 2612 поперечных сечений, расположенных на глубинах от 12,7 до 1365 м); удовлетворительной сходимостью результатов математического моделирования и лабораторных испытаний узлов крепления армировки (отклонения величин срезающих усилий не более 16%), внедрением.
Реализация работы. Отдельные результаты и рекомендации диссертационной работы внедрены ООО «Гуковское УДШСМ» при разработке проектной документации для армирования вентиляционного ствола рудника «Нурказ-ган», г. Темиртау, Казахстан.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных конференциях: «Совершенст-
вование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (г. Донецк, 2012, 2013, 2014 гг.), «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (ТулГУ, Тула, 2012, 2013 гг.), «Неделя горняка – 2014» (МИСИС, г. Москва, 2014 г.); «Строительство – 2013» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2013 г.), «Транспорт» (РГУПС, Ростов-на-Дону, 2014- 2016 гг.).
Публикации. Соискатель имеет 14 опубликованных печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах машинописного текста. Состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 131 наименования, двух приложений. Содержит 17 таблиц, 78 рисунков.
Снижение затрат на проветривание горнодобывающих предприятий
Основными конструкциями вертикальных стволов шахт и рудников являются крепь, предназначенная для сохранения проектного положения сечения ствола и его гидрозащиты, и армировка, обеспечивающая направленное и безаварийное движение по стволу подъемных сосудов (скипов, клетей) с заданной интенсивностью.
В соответствии с СП 91.13330.2012 [106] выбор и расчет крепи стволов необходимо производить отдельно для характерных участков устья, протяженной части, приствольных выработок в зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических условий, вредных воздействий, при учете технологической схемы строительства.
Основным параметром, классифицирующим условия строительства стволов, является категория устойчивости С по СП 91.13330.2012. В зависимости от этого параметра в стволах применяют монолитные бетонные, железобетонные, сборные и тюбинговые, а также облегченные набрызгбетонные и комбинированные типы крепей.
Армирование вертикальных стволов осуществляется двумя основными типами конструкций: жесткой армировкой, включающей горизонтальные несущие ярусы и рельсовые либо коробчатые проводники, а также гибкой ар-мировкой, представляющей собой систему канатных направляющих и отбойных проводников.
В породах II и III категории устойчивости, как правило применяют монолитную бетонную крепь толщиной 300 - 500 мм. В породах IV категории осуществляют переход на железобетонные, тюбинговые и сборные крепи.
В стволах I и II категории устойчивости с гибкой армировкой, а также в вентиляционных стволах и шурфах, не оборудованных подъемными установ 12 ками, при отсутствии влияния очистных работ и водопонижения (притоки воды в ствол не более 8 м3/ч) следует применять набрызгбетонную либо комбинированную крепь из жестких анкеров, металлической сетки и набрызг-бетона. Толщина набрызгбетонной крепи принимается равной не менее 100 мм при глубине ствола 500 м и не менее 150 мм в более глубоких стволах [106].
Комплексный анализ горно-геологических условий строительства современных вертикальных стволов выполнен в работе [77]. Установлено, что с увеличением глубины вертикальных стволов наблюдается увеличение прочностных свойств вмещающих пород, однако, переходя к критерию устойчивости пород C, наблюдается ухудшение геомеханической ситуации. Вместе с тем, более 35% участков протяженной части стволов на глубинах 700 - 1500 м относятся к I и II категориям устойчивости, где по рекомендациям СП 91.13330.2012 целесообразно применять облегченные, прежде всего набрыз-гбетонные, типы крепей.
Набрызгбетон (торкретбетон) представляет собой высокопрочный и быстротвердеющий бетон, в состав которого входят цемент, вода, песок, щебень с размером зерен до 25 мм, а также при необходимости добавки (пластификаторы, ускорители схватывания и твердения, комплексные модификаторы), фибра, наноматериалы и компоненты и др. Набрызгбетонная крепь устраивается путем нанесения на породную стенку готовой смеси под давлением сжатого воздуха слоями толщиной 2,5 - 5,0 см.
К основным достоинствам набрыгбетонной крепи можно отнести: высокие прочностные показатели, в том числе большую по сравнению с монолитной бетонной крепью прочность на растяжение при изгибе; хорошую устойчивость к воздействию агрессивных сред; частичное заполнение при нанесении крепи трещин и пустот в породном массиве; минимальную толщину, обеспечивающую уменьшение расхода бетона и объема работ по уборке породы; отсутствие опалубки; высокую степень механизации работ; эффективность работы с другими типами крепей; простоту ремонта и усиления крепи. Набрызгбетонная крепь получила самое широкое применение в отечественном и зарубежном тоннелестроении, в частности при реализации принципов Новоавстрийского метода (NATM). Так, при сооружении совмещенной дороги Адлер – горноклиматический курорт «Альпика-Сервис» в рамках подготовки к зимним Олимпийским играм 2014 г. в г. Сочи в шести тоннелях успешно применена набрызгбетонная крепь.
Все более активно набрызгбетонная крепь используется и при строительстве вертикальных стволов в ЮАР, Канаде, США и других странах [38,42,43,70]. В ряде случаев ее применяют вместо монолитной бетонной крепи на участках ствола, где возможно развитие деформаций растяжения и изгиба в системе «крепь – массив» [38]. Благодаря использованию высокоэффективных добавок и стальной фибры достигается высокая прочность, де-формативность, низкая водонепроницаемость крепи, стабильные качественные характеристики. Постоянно совершенствуется технология работ. Для возведения набрызгбетонной крепи стволов применяются роботизированные установки (рисунок 1.1).
Разработка схем безъярусной армировки вентиляционных стволов с на-брызгбетонной крепью
Наиболее эффективным является первый способ регулирования арми-ровки с помощью выдвинутых в ствол анкеров, однако при его применении диапазон регулирования находится в пределах 0 - 5 см.
Это в частности подтверждается анализом напряженно деформированного состояния армировки, выполненном в работах [9,10]. Установлено, что данный способ крепления при величине отступа опорной плиты от стенки ствола более 5 см приводит к снижению жесткости и несущей способности конструкции. При применении комбинированного анкерного крепления консольно-распорной и блочной армировки, предусматривающего крепление наиболее нагруженного узла на опорном кронштейне, а остальных узлов на анкерах, выдвинутых в ствол, возможно обеспечить радиальное регулирование положения армировки до 10 см.
Перспективным направлением повышения жесткости и несущей способности армировки является применение трубобетонных элементов, в частности разработки проф. И.В. Баклашова (рисунок 1.13) [1].
Безрасстрельная армировка ствола с трубобетонными несущими элементами: а – сечение ствола; б – продольный вид конструкции; 1 – коробчатые проводники; 3 – клети 4,5 – трубы опорного элемента, заполненные бетоном; 6 – крепь ствола; 7 – анкера; 8 – опорная плита; 9 – пластина жесткости; 10 – вертикальная пластина для крепления проводника; 11 – овальные отверстия под болты Конструкция опорных элементов из трубобетона испытывает сжимающие напряжения с эксцентриситетами, величина которых зависит от заданного угла соединения труб и места расположения проводника относительно центральной оси несущего расстрела. В значительной степени эти напряжения воспринимаются бетоном, что увеличивает жесткость, прочность и долговечность армировки при снижении металлоемкости и аэродинамического сопротивления.
Усложнение конструкции регулируемых узлов крепления также приводит к неремонтопригодности конструкций. Данной проблеме посвящены исследования Р.О. Саакяна [99], в которых отмечается неэффективность болтовых и сварных соединений узлов армировки, таккак они не позволяют выполнить ремонтные работы без полного демонтажа несущего яруса.
В этой связи представляет интерес зарубежный опыт ремонта армиров-ки, нашедший применение в ЮАР. Технология ремонта предусматривает замену расстрелов армировки путем срезки старых балок, поврежденных коррозией, и монтажа новых в оставшийся узел заделки в крепи ствола с помощью специального замкового элемента и последующего замоноличивания высокопрочным мелкозернистым бетоном (рисунок 1.14).
Направленное движение подъемных сосудов по проводникам жесткой армировки имеет достаточно сложный динамический характер. Колебания совершаются одновременно в 3-х плоскостях по 6-ти степеням свободы. Роликовые направляющие устройства контактируют с проводниками в лобовом и боковом направлениях в 24 точках одновременно, жесткие направляющие скольжения – в 12 точках [49]. Армировка находится под одновременным влиянием коррозионного и механического износа, деформаций крепи и породного массива, температурных деформаций.
Современные исследования взаимодействия системы «подъемный сосуд – армировка» с учетом рассмотренных выше негативных воздействий выполнены в работах С.Р. Ильина [49-52], С.С. Ильиной [49,51,103], А.Ю. Прокопова [94-97], В.И. Самуся [103], Г.Д. Трифанова [50,115] и др.
Коррозионный и механический износ приводит к значительному росту напряжений и деформаций в элементах армировки при движении подъемного сосуда [96]. Скорость коррозии определяется степенью агрессивности шахтных вод, а также типом и размерами профиля элемента армировки (рисунок 1.15).
Анализ средних отклонений контура крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности в различных условиях
Отличительной особенностью стволов, закрепленных набрызгбетонной крепью, является неровный профиль, повторяющий контур породных стенок ствола. Это оказывает влияние на величину фактических геометрических параметров безъярусной армировки: вылет анкерной опоры Lоп и глубину заделки анкеров Lз. Неровность контура ствола можно охарактеризовать величиной средних отклонений стенок от проектного положения t = Rпр.ср – Rвч, где Rпр.ср – средний по сечению ствола радиус ствола в проходке, Rвч – проектный радиус ствола вчерне, а также максимальной амплитудой неровности контура t, представляющей собой разность между наибольшим и наименьшим радиусами ствола в проходке в конкретном сечении (рисунок 3.1).
При этом можно выделить несколько характерных положений анкерных опор безъярусной армировки относительно неровной стенки крепи:
1. Анкерная опора располагается в центральной части участка максимального вывала пород, характеризуемого величиной отклонения t;
2. Анкерная опора находится на участке выступа пород в ствол между двумя участками вывалов, характеризуемого шириной выступа, величинами отклонений t и t.
3. Анкерная опора располагается максимально точно к своему проектному положению относительно проектного сечения ствола (величина отклонения в рассматриваемой точке t=0).
4. Анкерная опора располагается максимально точно относительно прогнозного положения породной стенки, характеризуемой величиной t. 5. Анкерная опора располагается на участке максимальной кривизны фактического сечения ствола, характеризуемой величиной t и расстоянием между участками минимального и максимального радиуса ствола.
Величины допустимых отклонений в сторону увеличения геометрических параметров сечения стволов от проектных по радиусу ствола нормиру ются СНиП 3.02.03-84 и приведены в таблице 3.1.
Величина нормативных допусков определяется, прежде всего, прочностью пород, так как с ее увеличением усложняется организация буровзрыв 62 ных работ, увеличивается расход взрывчатого вещества на заходку, что приводит к большим переборам породы. Существенно меньшее влияние оказывают проектные геометрические параметры ствола.
В то же время окончательные размеры сечения ствола в проходке фор мируются при уборке породы и возведении крепи после реализации возмож ных породных вывалов того или иного объема. Этот процесс зависит от ус тойчивости пород, вмещающих ствол, и характеризуется влиянием многих горно-геологических, гидрогеологических и организационно технологических факторов: типа, прочности, трещиноватости, реологических свойств пород, глубины ствола, величины водопритока, напора подземных вод, особенностей структурного залегания массива, технологической схемы строительства, скорости проходки, качества выполнения работ и др. Оценка их комплексного влияния по понятным причинам встречает серьезные затруднения.
Одним из эффективных подходов для проведения подобного исследования является статистическая обработка данных журналов проходки стволов, в которых одновременно отражаются условия их сооружения, параметры технологии и организации работ, а также результаты маркшейдерских замеров по глубине ствола. Подобный анализ проводился в частности в работах [98,104] для определения факторов, влияющих на искривление крепи и объемы перерасхода бетона на возведение крепи в сложных условиях при больших водопритоках.
В нашем случае с учетом сформулированных ранее положений представляют интерес величины отклонений породного контура ствола от проектного положения в стволах различной категории устойчивости, а также максимальной амплитуды неровности этого контура, так как набрызгбетон-ная крепь после нанесения повторяет профиль породной стенки ствола.
Количественная и качественная оценка этих параметров может быть выполнена на основе обработки данных эскизов фактических сечений ствола по глубине, содержащихся в журналах проходки. Пример такого эскиза представлен на рисунке 3.2. Как правило, он строится на основании определения радиальных размеров положения стенок ствола в восьми точках окружности относительно центрального отвеса. Угол сегмента окружности, образуемого соседними радиусами, принимается постоянным и равным 450.
Для каждого сечения в журналах проходки имеется набор горногеологических, гидрогеологических, технологических и организационных параметров, позволяющих установить возможные корреляционные связи с исследуемыми величинами отклонений.
Степень влияния параметров неодинакова и существует некоторое количество доминирующих факторов, определяющих средние и максимальные величины отклонений.
Предположим, что у(x)=f(x1,x2,…xm,a1,a2,…am) – непрерывная функция всех влияющих факторов, которую можно аппроксимировать полиномами.
Вполне вероятно, что многие из входящих в модель членов незначительно влияют на изменение у(x), поскольку их значения аi будут близки к нулю. Поэтому отбрасывание таких членов не должно привести к ухудшению прогностических свойств модели или к потере е адекватности. Однако, сама модель станет более экономичной, и будем считать, что именно такая модель будет имеет наилучшую структуру [2]. 3.2 Анализ средних отклонений контура крепи от проектного положения и максимальной амплитуды неровности в различных условиях
Анализ величин отклонений стенок ствола произведен по данным журналов проходок 11 вертикальных стволов Донбасса. Всего исследовано 2612 поперечных сечений, расположенных на глубинах от 12,7 до 1365 м. В каждом сечении замеры отклонений осуществлялись в восьми точках, таким образом, общая выборка составила 20896 значений. С учетом сформулированных ранее положений рассматривались участки только с набрызгбетонной и монолитной бетонной крепью.
В таблице 3.2 представлен пример сводной таблицы данных по возду-хоподающему стволу №2 шахты «Красно-Армейская Западная». Весь массив данных приведен в приложении №1 диссертации.
Анализ напряженно-деформированного состояния набрызгбетонной крепи с учетом влияния нагрузок от армировки и технологических отклонений ее контура
На втором этапе численного моделирования выполнен анализ напряженно-деформированного состояния участков заделки безъярусной армировки. Существующие методики расчета предусматривают рассмотрение узлов анкерной заделки с позиций оценки несущей способности по допускаемым напряжениям среза в бетоне [69]: [т] = 0,75 Rb -Rbt,МПа, (4.1) где Rb, Rbt - соответственно, расчетное сопротивление бетона осевому сжатию для предельных состояний первой группы; - расчетное сопротивление бетона осевому растяжению для предельных состояний первой группы. Глубина заделки анкера должна приниматься не менее 300 мм и удовлетворять условию
Следует отметить, что данные рекомендации разработаны в 80-х годах прошлого века на основе стендовых испытаний анкеров на выдергивание по аналогии с методиками испытаний шахтной анкерной крепи. В то же время работа анкеров в узлах крепления армировки принципиально отличается от шахтной крепи. Как показывает практика, разрушение узлов крепления происходит вследствие постепенного разрушения материала заделки от стенки ствола вглубь заделки. Это приводит к постепенному ослаблению узла крепления и росту деформаций армировки [63]. Данные процессы значительно ускоряются вследствие процессов коррозии, а также при некачественном выполнении работ по монтажу армировки. В этой связи исследования по анализу напряженно-деформированного состояния участков заделки предложенных конструкций безъярусной армировки являются достаточно актуальными.
Последовательность проведения численного эксперимента в целом аналогична п. 4.2. В результате серий расчтов определялись все компоненты напряженно-деформированного состояния участков заделки анкера по его глубине. Оценка несущей способности заделки производилась на основании анализа максимальных главных напряжений согласно теории прочности Кулона-Мора, а также срезающих напряжений на контакте анкер – материал заделки. Прочностные свойства материала заделки c учетом рекомендаций [93] принимались равными прочности бетона крепи.
В результате обработки данных моделирования установлено, что количественные значения срезающих напряжений определяются величиной нагрузок, прочностными свойствами материала заделки, крепи и горных пород.
На величину срезающих напряжений в материале заделке также оказывает влияние фактическое отношение длины заделки Lз к диаметру анкера Da с учетом отклонений и соотношения модулей деформации бетона крепи и пород массива. Наличие пород с модулем деформации в 1,5 - 2 раза меньшем, чем у набрызгбетонной крепи приводит к росту средних срезающих напряжений в материале заделки до 10% (рисунок 4.17). Максимальные напряжения возникают вблизи устья скважины и далее интенсивно уменьшаются. С увеличением отклонений набрызгбетонной крепи от проектного положения при lз/Da 15 срезающие напряжения нелинейно возрастают, при lз/Da15 наличие отклонений в пределах допустимых амплитуд практически не оказывает влияния на их максимальную величину.
На рисунке 4.18 показана характерная картина распределения эквивалентных напряжений в материале заделки анкера (марка по прочности М300) по ее глубине, определенных в соответствии с условием прочности Кулона-Мора.
Установлено, что максимальные эквивалентные напряжения наблюдаются в начале скважины при действии боковой динамической нагрузки от подъемного сосуда в перпендикулярном к продольной оси анкера направлении и далее интенсивно уменьшаются.
Основными факторами, определяющими количественные значения максимальных главных напряжений, являются величина горизонтальной динамической нагрузки, вылет опоры, диаметр анкерных стержней, класс бетона крепи и заделки, а также величины технологических отклонений контура крепи ствола. Так на рисунке 4.19 представлен пример полученных графиков зависимости максимальных напряжений в заделке в набрызгбетонной крепи толщиной 15 см, класс бетона В15 от горизонтальной динамической нагрузки на армировку при различных величинах отклонений.