Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и задачи исследования 10
1.1 Геотехнологические и технико-экономические аспекты сооружения и эксплуатации приствольных выработок вертикальных стволов 10
1.2 Технологические схемы сооружения приствольных выработок 15
1.3 Технические решения по повышению эффективности строительства и эксплуатации участков приствольных выработок вертикальных ство лов 21
1.4 Современные исследования в области оценки напряжено деформированного состояния вертикальных стволов и приствольных выработок 31
2 Поэтапное исследование напряженно деформированного состояния пройденного ствола на участке сооружения приствольной выработки 35
2.1. Основные положения 35
2.2 Анализ вторичного напряженно-деформированного состояния пройденного ствола. Оценка несущей способности крепи 38
2.3 Исследование фактического состояния монолитной бетонной крепи эксплуатационного ствола
2.3.1 Методика проведения испытаний 44
2.3.2 Анализ результатов исследований 49
2.4 Численное моделирование участков пройденного ствола с неоднород ными параметрами крепи 54
2.4.1 Разработка математической модели эксплуатационного ствола. 54
2.4.2 Верификация численной модели 58
2.4.3 Анализ напряженно-деформированного состояния участка пройденного ствола с неоднородными параметрами крепи 59
2.5 Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния пройденного ствола в зоне строительства приствольной выработки при различных схемах проходки 62
2.6 Поэтапное моделирование технологии сооружения камеры загрузочных устройств в пройденном стволе с учетом сформировавшихся зон разрушения пород 68
2.7 Выводы по главе 2 72
3 Обоснование технических решений по обеспечению устойчивости участка приствольных выработок пройденного ствола 75
3.1 Общие положения 75
3.2 Обоснование параметров упрочения горных пород в зоне сооружения приствольных выработок 76
3.3 Обоснование технических решений по усилению крепи ствола в зоне влияния строительства приствольной выработки 78
3.4 Обоснование параметров жесткой армировки пройденных стволов на участке строительства приствольных выработок 82
3.4.1 Основные положения 82
3.4.2 Оценка работоспособности жесткой армировки скиповых стволов с увеличенным шагом 86
3.4.3 Разработка конструктивных решений жесткой армировки для зон влияния приствольных выработок 90
3.5 Выводы по главе 3 95
4 Технологические схемы сооружения приствольных выработок в пройденных стволах, реализация разработанных решений 97
4.1 Обоснование технологических решений для участков сопряжений пройденных вертикальных стволов 97
4.1.1 Технологическая схема сооружения сопряжений в пройденных вертикальных стволах 97
4.1.2 Оценка эффективности разработанных технологических решений 105
4.2 Реализация разработанных решений по сооружению камер загрузочных устройств пройденных стволов 108
4.2.1 Основные сведения 108
4.2.2 Технологическая схема работ 109
4.2.3 Определение запаса несущей способности монолитной бетонной крепи пройденного ствола до начала рассечки приствольных выработок
4.2.4 Оценка напряженно-деформированного состояния участка пройденного ствола в различные периоды сооружения приствольных выработок 112
4.2.5 Рекомендации по креплению участка сооружения камер загрузочных устройств 123
4.3 Выводы по главе 4 124
Заключение 126
Библиографический список 129
Приложение А
- Технические решения по повышению эффективности строительства и эксплуатации участков приствольных выработок вертикальных ство лов
- Численное моделирование участков пройденного ствола с неоднород ными параметрами крепи
- Обоснование технических решений по усилению крепи ствола в зоне влияния строительства приствольной выработки
- Технологическая схема сооружения сопряжений в пройденных вертикальных стволах
Введение к работе
Актуальность работы. Эффективное развитие горнодобывающей промышленности России требует реконструкции ряда шахт и рудников, перевода предприятий с открытого на закрытый способ добычи, расконсервации объектов с перспективными запасами. При этом возникает необходимость строительства и реконструкции вертикальных стволов, в том числе путем сооружения новых приствольных выработок с учетом обновленных данных по объемам и особенностям залегания полезных ископаемых разрабатываемого месторождения.
Анализ практического опыта строительства вертикальных стволов показывает, что удельные материальные, временные и трудовые затраты при сооружении приствольных выработок в пересчте на 1 м3 объма выработки значительно превышают аналогичные показатели при сооружении протяженной части ствола. Это свидетельствует о необходимости дальнейшего совершенствования технических и технологических решений по возведению приствольных выработок в различных условиях. Кроме того, известные схемы работ разработаны для способа сооружения приствольных выработок одновременно с проходкой ствола. Их применение в эксплуатационных и ранее пройденных стволах приводит к длительной остановке шахтного подъема и дополнительным убыткам. Проходческие работы оказывают негативное влияние на крепь и армировку, усиливающееся с ростом глубины стволов. В этой связи обоснование эффективных технологических схем сооружения приствольных выработок в пройденных стволах является весьма актуальным.
Значительный вклад в решение задач, связанных с исследованием напряжено-деформированного состояния и совершенствованием технологий строительства вертикальных стволов, внесли И.В. Баклашов, Ф.А. Белаенко, В.Е. Боликов, В.А. Борисовец, А.В. Будник, Н.С. Булычев, В.И. Голик, А.Н. Динник, И.Е. Долгий, В.А. Дрибан, Б.А. Картозия, А.М. Кзел, И.Г. Косков, Г.А. Крупенников, В.В. Левит, А.П. Максимов, И.Г. Манец, В.В. Першин, М.С. Плешко, Н.М. Покровский, В.А. Прагер, А.А. Привалов, А.Ю. Прокопов, А.Г. Протосеня, А.А. Репко, Г.Н. Савин, И.И. Савин, С.В. Сергеев, С.Г. Страданчен-ко, Б.М. Усаченко, Н.Н. Фотиева, Х.Х. Хакимов, М.Н. Шуплик, Ф.И. Ягодкин и др. ученые.
Вопросам анализа напряженно-деформированного состояния сопряжений стволов с выработками околоствольного двора, разработке технических и технологических решений по сооружению приствольных выработок посвящены работы И.В. Баклашова, В.Е. Боликова, А.А. Бородули, Н.С. Булычева, М.В. Вяльцева, А.М. Кзела, И.А. Колдунова, В.В. Левита, М.С. Плешко, С.В. Сергеева, И.А. Южанина, Ф.И. Ягодкина и др.
В то же время геотехнологические аспекты сооружения приствольных выработок в пройденных и эксплуатационных стволах, нуждаются в дальнейшем изучении. Отсутствуют методики и рекомендации по ведению проходческих работ, определению параметров крепи и армировки.
Диссертационная работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-13 гг.)»: «Разработка безотходных экологически безопасных способов добычи и переработки руд месторождений Северного Кавказа на основе комбинирования традиционных и инновационных технологий» (ГК 16.515.11.5039).
Цель работы: обоснование технических и технологических решений по сооружению приствольных выработок в пройденных вертикальных стволах, обеспечивающих уменьшение продолжительности строительства и снижение негативного влияния работ на конструкции ствола.
Идея работы: повышение эффективности сооружения приствольных выработок обеспечивается применением технологических схем строительства в направлении «к стволу» с научно обоснованными размерами породных целиков и пролетов подводящих выработок, параметрами усиления крепи, упрочнения породного массива и схем армировки.
Задачи исследований:
установить закономерности изменения напряженно-деформированного состояния участков пройденных стволов при различных схемах сооружения приствольных выработок и учете фактического состояния ствола;
обосновать технические решения по повышению устойчивости участков пройденных стволов в зоне влияния приствольных выработок, а также сохранности крепи и армировки;
разработать эффективные технологические схемы сооружения приствольных выработок в пройденных вертикальных стволах;
выполнить опытно-промышленную апробацию и внедрение разработанных решений.
Научная новизна выполненных исследований:
получены новые зависимости величин концентраций нормальных тангенциальных напряжений в дефектных зонах крепи ствола от соотношений проектной и фактической толщины крепи, модулей сдвига бетона крепи и горных пород;
получена зависимость увеличения несущей способности бетонной крепи от процента армирования углепластиковым ламинатом на участке ствола в зоне наиболее интенсивного влияния приствольной выработки;
установлены зависимости коэффициента увеличения эквивалентных напряжений в крепи пройденного ствола при применении разработанной схемы
сооружения приствольной выработки в направлении «к стволу» от параметров породного целика и пролета выработки;
- предложена методика оценки напряженного состояния крепи пройденного ствола в зоне сооружения приствольной выработки, в отличие от известных ранее учитывающая образовавшиеся к моменту строительства области разрушения пород и дефекты в крепи ствола.
Теоретическая значимость работы заключается в установлении новых закономерностей влияния параметров технологических схем строительства приствольных выработок в направлении «к стволу» на напряженно-деформированное состояние окружающего массива и конструкций пройденного ствола.
Практическое значение работы состоит в разработке новых технических и технологических решений по сооружению приствольных выработок в пройденных и эксплуатационных стволах, позволяющих обеспечить параллельное выполнение работ, сокращение сроков строительства и сохранность существующих конструкций ствола.
Методы исследований. При выполнении работы использован комплексный метод исследований, включающий: анализ и научное обобщение ранее опубликованных работ по вопросам строительства и реконструкции стволов и приствольных выработок; экспериментальные исследования нарушений крепи стволов; аналитические исследования напряженно-деформированного состояния пройденных вертикальных стволов, математическое моделирование участков стволов при строительстве приствольных выработок.
Положения, выносимые на защиту:
-
Оценка несущей способности крепи пройденного ствола перед сооружением приствольной выработки должна осуществляться с учетом сформировавшегося вторичного поля напряжений, образовавшихся зон разрушения пород и дефектных участков. Их наличие приводит к увеличению средних величин нормальных тангенциальных напряжений в крепи, а также к возникновению локальных концентраций напряжений, величина которых нелинейно зависит от соотношений проектной и фактической толщины крепи, модулей сдвига бетона крепи и горных пород.
-
Устойчивость участка пройденного ствола в зоне наиболее интенсивного влияния сооружаемой приствольной выработки обеспечивается за счет поэтапного применения предлагаемых технических решений по анкерному упрочнению пород, дополнительному усилению крепи углепластиковым ламина-том, и перехода на схемы армировки с ограниченным числом узлов крепления.
-
Применение схемы сооружения приствольной выработки в направлении «к стволу» через подводящую выработку с оставлением породного целика
позволяет уменьшить напряжения в крепи пройденного ствола в 1,7 - 2,0 раза, при этом они нелинейно зависят от ширины породного целика и прямо пропорционально возрастают при увеличении пролета подводящей выработки.
Достоверность и обоснованность научных положений и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач исследований, значительным объемом экспериментальных исследований крепи ствола (более 300 замеров на трех опытных участках); удовлетворительными результатами верификации разработанной численной модели ствола (максимальное отклонение результатов расчета тестовых моделей и данных аналитического решения не превысило 5%), положительным внедрением разработок на практике и последующей успешной эксплуатацией запроектированного с применением разработок автора участка приствольных выработок в течение 5 лет.
Реализация работы. Отдельные результаты и рекомендации диссертационной работы внедрены научно-техническим центром «Наука и практика» при разработке проектной документации по реконструкции горнодобывающих предприятий (рудник «Узельгинский» Учалинского ГОК, шахта «Гуковская»).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных симпозиумах «Неделя горняка – 2011» (МГГУ, г. Москва), «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений», (г. Донецк, 2011, 2012, 2014 гг.), «Перспективы развития Восточного Донбасса» (ШИ ЮРГТУ (НПИ), г. Шахты, 2011 гг.), «Опыт прошлого – взгляд в будущее», (ТулГУ, Тула, 2011 г.), «Проблемы геологии, планетологии, геоэкологии и рационального природопользования» (ЮРГТУ (НПИ), Новочеркасск, 2011 г.), «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (ТулГУ, Тула, 2012, 2013 гг.), «Строительство – 2013» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2013 г.), «Транспорт – 2014» (РГУПС, Ростов-на-Дону, 2014 г.).
Публикации. Соискатель имеет 17 опубликованных печатных работ, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 145 наименований. Содержит 13 таблиц, 73 рисунка.
Автор выражает искреннюю признательность д.т.н., проф. Ф.И. Ягодки-ну за помощь в работе над диссертацией.
Технические решения по повышению эффективности строительства и эксплуатации участков приствольных выработок вертикальных ство лов
Сооружение камер загрузочных устройств, как правило, производится одновременно с проходкой ствола послойно сверху вниз небольшими заходками (рисунке 1.8). В первую очередь вынимают породу в верхнем слое высотой 2,2 -2,5 м. Затем проходку ствола и камеры осуществляют одним общим забоем.
В зависимости от последовательности возведения постоянной крепи различают два вида этой схемы: с возведением постоянной крепи ствола и камеры послойно сверху вниз вслед за проходкой каждого слоя; с возведением временной крепи вслед за выемкой каждого слоя и возведением постоянной крепи ствола и камеры снизу-вверх.
Технология сооружения приствольных выработок после проходки ствола на полную глубину, как правило, применяется при организации скоростной проходки ствола по параллельной, параллельно-щитовой схеме, при сооружении ствола механизированным комплексом (комбайном) или способом бурения. Известные схемы работ предусматривают послойное сооружение приствольной выработки с помощью глухого временного полка, смонтированного на уровне подошвы выработки, либо рассечку с использованием стволового подвесного полка. В сравнении с рассмотренными выше схемами эти технологии характеризуются максимальной трудоемкостью, стоимостью и продолжительностью строительства. В эксплуатационных стволах работы по рассечке приствольных выработок дополнительно осложняются наличием постоянного оборудования, арми-ровки и канатов в стволе. Возникает необходимость длительной остановки подъема и перекрепления участка ствола.
Технологически рассечка приствольных выработок в пройднных стволах может также производиться в направлении «к стволу» от существующих подзем 21 ных выработок или соседних стволов. Однако эффективные схемы работ в настоящее время отсутствуют. Основной проблемой является неизученность вопросов, связанных с пониманием механизма формирования и изменения напряженно-деформированного состояния системы «приствольная выработка – пройденный ствол» в процесс строительства, на основании которого могут быть приняты оптимальные технические и технологические решения.
Применяемые на практике решения по креплению стволов не отличаются разнообразием. На участках вертикальных стволов, отнесенных к I - III категории устойчивости в основном применяются крепи из монолитного бетона толщиной до 500 мм. В более сложных условиях, в том числе на участках приствольных выработок, применяют бетонные, железобетонные или металлобе-тонные крепи увеличенной толщины. При этом увеличение толщины крепи на каждые 50 мм приводит к увеличению стоимости ствола на 5...6%, а применение монолитного железобетона при одинаковой толщине крепи обуславливает рост стоимости до 30%. Одновременно на 35% возрастает трудомкость работ [123, 124].
В соответствии с нормативными рекомендациями сопряжения и камеры загрузочных устройств необходимо размещать за пределами зон влияния геологических нарушений, весьма слабых пород, напорных водоносных горизонтов, преимущественно вкрест простирания пород. Для крепления сопряжений (горизонтальной части) и камер применяют металлобетонную (металлические арки из двутавра с сетчатой металлической затяжкой в бетоне класса до В25) и железобетонную (с гибкой арматурой) крепи. Последнюю часто дополнительно усиливают анкерной крепью с металлической сеткой. Крепление ствола в пределах проемов сопряжений и не менее 5 м выше и ниже в обе стороны производится монолитным железобетоном с гибкой арматурой. На остальной части ствола, у сопряже 22 ний, необходимость армирования определяется расчетом, если расчетная толщина крепи превышает 0,5 м при классе прочности бетона В25. Почву сопряжений крепят монолитным бетоном с отставанием проемов для посадочных брусьев и толкателей вагонеток. На высоте 5 м от сопряжения сооружают опорный венец.
В сложных горно-геологических условиях ствол на уровне сопряжений крепят металлобетоном. Вверху и внизу сопряжения устраивают металлические кольца, между ними колонны, а также гибкую арматуру. Между крепью ствола и сопряжения предусматривают специальные деформационные швы. Над сопряжением или над водотрубным ходком устраивают опорный башмак [34].
За рубежом применяются шаровидные и грушевидные формы сопряжений, отличающиеся значительными размерами и большим расходом металла. Из основных мер по улучшению эксплуатации приствольных выработок можно выделить следующие: - оставление предохранительных целиков требуемых размеров, предотвращающих негативное влияние очистных работ; - научно обоснованное управление околоствольным массивом пород; - применение эффективных видов крепи, технических мер защиты крепи и армировки; - выбор оптимальных форм и размеров поперечного сечения выработок. Примеры известных решений по обеспечению устойчивости участков приствольных выработок схематично проиллюстрированы на рисунке 1.10. Так, на практике находят применение двух и многослойные конструкции крепи. Один из слоев устраивается из податливого материала (рисунке 1.10, а). В качестве него применяют блоки из пено- и шлакобетона, стекловолокнистые маты, асфальтобетон, различные податливые смеси из бетона и др. Для наиболее сложных участков в качестве податливого слоя могут применяться гидравлические баллоны [88].
В работе [139] предложен способ снижения концентрации напряжений в районе сопряжения стволов с приствольными выработками, заключающийся в том, что в стенках ствола (вдоль его оси) в районе сопряжения проводят щели. Щели располагают так, чтобы они прошли через вертикальные оси сечений приствольных выработок (места максимальных концентраций окружных напряжений) и в промежутках между приствольными выработками. При этом глубина каждой щели по мере удаления от центра сопряжения уменьшается: в центре она максимальна, а на определенном расстоянии от центра становится нулевой. Таким образом, эти щели имеют эллиптический профиль, симметричный относительно ствола, оси его соответствуют осям ствола и приствольной выработки (см. рисунок 1.11).
Численное моделирование участков пройденного ствола с неоднород ными параметрами крепи
Приведенное выше решение общей задачи имеет частные решения: - для идеально-хрупких породных массивов r12()= О0-\ ; (2.9) - для идеально-пластичных породных массивов 12 () = 1 —\ . (2.10) Данные идеализированные геомеханические модели соответственно характеризуют максимально (идеально-хрупкая) и минимально (идеально-пластичная) возможные расчетные величины параметра г12.
Сопоставления фактических размеров зон разрушения пород с расчетными показывают, что последние меньше на 20 - 30% в зависимости от вида пород. В то же время объем статистических данных по размерам зон разрушения пород вокруг вертикальных стволов весьма ограничен и не позволяет на должном уровне оценить достоверность того или иного расчетного метода [51]. Другой проблемой является сложность применения выражения (2.5) на практике, так как многие входящие в нее величины не определяются при стандартных геомеханических исследованиях.
1. Использование вероятностно-статистических методов, в частности метода группового учета аргументов (МГУА). Этот метод дает возможность оценивать влияние каждого фактора на устойчивость подземного сооружения, определить весовые коэффициенты и построить выходную функцию в случае недостатка информации о том, какие именно входные переменные дают наибольший вклад. Размер зоны разрушения пород вокруг ствола рассматривается как случайная величина, формируемая под воздействием многих случайных причин [135,136].
2. Рассмотрение наиболее негативного случая для обеспечения большего запаса прочности крепи, в качестве которого может быть принята идеально-хрупкая модель с геомеханическими параметрами, обусловливающими максимальные размеры зон разрушения пород вокруг ствола.
Общим недостатком рассмотренного метода является отсутствие учета реализованных смещений пород до возведения постоянной крепи ствола и отклонений фактического радиуса ствола и толщины крепи от проектных положений вследствие вывалов и других факторов. Общеизвестно, что размеры породных вывалов в стволе в период проходки характеризуют устойчивость пород и качество технологии проведения проходческих работ. Комплексный анализ объемов вывалов пород при проходке стволов выполнен в работе [11]. В результате обработки данных получено следующее корреляционное выражение для определения объемов вывалов: 6,25 Я ч +1,54 1,005 w 0,64 0,71
Из выражения (2.11) видно, что размеры вывалов обусловливаются не только параметрами напряженно-деформированного состояния пород, но также величиной водопритоков в ствол и технологическими факторами.
Реализация процесса вывалообразования до возведения основной крепи приводит к увеличению фактического радиуса ствола вчерне и изменению напряженно-деформированного состояния породного массива. С учетом этого окончательное выражение для определения максимального размера зон разрушения и сниженной прочности пород вокруг ствола может быть представлено в виде где ARV - дополнительное увеличение максимального размера зон разрушения и сниженной прочности пород вокруг ствола вследствие перераспределения напряжений в породном массиве после реализации вывалов до возведения основной крепи, которое определяется величиной отношения фактического радиуса ствола вчерне к проектному.
Таким образом, оценка напряженно-деформированного состояния крепи пройденного ствола только аналитическими методами не позволяет получить полностью достоверные результаты, так как они не могут учесть влияния технологических и эксплуатационных факторов. Необходимы дополнительные натурные исследования состояния ствола перед рассечкой приствольных выработок.
Целью настоящей работы является исследование фактического состояния пройденных стволов, выявление закономерностей изменения фактических геометрических параметров крепи, нарушений и скрытых дефектов. В качестве объекта исследования приняты вертикальные стволы шахты «Обуховская №1». В соответствии с рекомендациями ВНИМИ [47] при проведении исследований принято: Исследование геометрических параметров крепи осуществлялось с помощью ультразвукового томографа МИРА. Техническая характеристика прибора представлена в таблице 2.3. Ультразвуковой томограф А1040 MIRA предназначен для контроля конструкций при одностороннем доступе к ним с целью определения целостности материала в конструкции, поиска инородных включений, полостей, непроливов, расслоений и трещин, а также измерения толщины объекта контроля. Возможен контроль объектов с толщиной до 2,5 м. Таблица 2.3 – Техническая характеристика томографа А1040 MIRA
Обоснование технических решений по усилению крепи ствола в зоне влияния строительства приствольной выработки
Результаты моделирования крепи с неоднородными параметрами показывают, что наличие армирующего слоя благоприятно влияет на величину коэффициента kt (см. формулу (2.13)). В аналогичных условиях при наличии армирующего слоя и проценте армирования 0,2 - 0,5% количественные значения коэффициента kt на 12 - 16% меньше, чем в крепи без усиления.
Предварительное обоснование параметров армирования участка крепи в зоне влияния строительства приствольной выработки может быть произведено при рассмотрении несущей способности сегмента кольца крепи как изгибаемой балки. Предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением, шириной 1 м погонной длины, усиленным армирующем слоем, может быть определен из выражения [94]: М = a St - 0,5Rx (3.8) где л – предельные значения напряжений для композитного Rb - расчетная прочность бетона крепи на сжатие, МПа; х - относительная высота сжатой зоны бетона, находится из уравнения проекций внутренних усилий х = р; (310) К - коэффициент, учитывающий тип и схему усиления, для ламинатов может быть принят равным ks =0,45 [64]; Ел - модуль упругости материала армирующего слоя, МПа; Ъ - единичная ширина полосы упрочнения внутреннего слоя крепи, мм; Etji - общая толщина слоев армирующего слоя, мм; R„ - расчетное сопротивление материала армирующего слоя растяжению, МПа. Окончательные параметры армирующего слоя участка крепи в зоне строительства приствольных выработок следует определять на основе математического моделирования и шахтных исследований в конкретных горно-геологических и технических условиях.
Проведенные ранее исследования показывают, что в процессе сооружения приствольных выработок в пройденных стволах формируются зоны активного влияния, в которых происходит интенсивное деформирование крепи и соответственно контактирующих с ней конструкций жесткой армировки. Прежде всего, такой опасной зоной является участок ствола в высотных отметках проема приствольной выработки и выше ее свода высотой до (1,2 - 1,4)В.
В настоящее время в горнодобывающей промышленности проектирование и монтаж жесткой армировки вертикальных стволов осуществляется на основании типовых технических решений, разработанных в советский период [60].
Также находят применение безрасстрельные и малорасстрельные схемы армировки для клетевых и скиповых стволов, в частности разработанные под руководством д.т.н., проф. Ф.И.Ягодкина , в которых вместо типовых центральных и хордальных расстрелов применяются консоли или консоли с распорами (таблица 3.2) [86].
Наиболее интенсивному воздействию подвергаются конструкции армиров-ки главных стволов, обеспечивающих выдачу полезного ископаемого на поверхность. Характеристика скипов, применяемых в рассмотренных схемах, представлена в таблице 3.3.
Согласно [60] для скиповых подъемов целесообразно использовать коробчатые проводники, сваренные из уголков. Основные характеристики коробчатых профилей, применяемых на практике, представлены в таблице 3.4.
Рекомендуемый шаг армировки h для рассмотренных схем при коробчатых проводниках составляет 3,0; 4,0 и 6,0 м. Анализ конструктивного расположения ярусов показывает, что во всех рассмотренных сечениях узлы крепления расстрелов (консолей) попадают в зону активного влияния приствольных выработок, вследствие чего безаварийная работа ярусов армировки, находящихся в данной области, будет затруднена.
В связи с этим необходим анализ возможности увеличения шага армировки в зоне влияния приствольной выработки до 8,0 - 12,0 м при сохранении существующих конструкций и схем несущих ярусов расстрелов (консолей) и веток проводников. 3.4.2 Оценка работоспособности жесткой армировки скиповых стволов с увеличенным шагом
Оценка работоспособности жесткой армировки по предельным состояниям сводится к проверке следующих условий [60]: Результаты расчета жесткой армировки скиповых стволов по условиям (3.11) и исходным данным таблице 3.2 - 3.4 показывают, что при всех рассматриваемых параметрах системы «сосуд - армировка» область применения армировки с увеличенным шагом на отдельном участке ствола определяется значениями прогиба проводника в лобовой плоскости. На рисунках 3.5 - 3.10 представлены графики расчетных значений прогибов проводников различного профиля, возникающих при движении скипов с максимально допустимой скоростью V=16 м/с.
Анализ представленных графиков показывает, что применение рекомендуемых профилей проводников обеспечивает работоспособность армировки при шаге армировки в пределах 6,6 - 7,8 м. Переход на профили с утолщенной стенкой позволяет увеличить шаг армировки в среднем на 0,5 м. Для обеспечения увеличения шага армировки до 8,0 - 12,0 м необходима разработка новых конструктивных решений, которые должны быть направлены на исключение контакта крепи и армировки в опасных зонах путем увеличения шага установки несущих ярусов и применения эффективных пространственных схем расположения расстрелов и проводников.
Анализ разработок в области армирования вертикальных стволов, позволил выделить ряд конструктивных решений армировки для сложных горногеологических условий, реализующих принцип исключения опирания несущих конструкций армировки в зонах интенсивного деформирования стенок ствола. На их основе разработаны конструкции промежуточных ярусов армировки, находящихся в зоне влияния приствольной выработки, с уменьшенным числом точек контакта несущих элементов с крепью ствола. При этом оставшиеся точки крепления несущих элементов размещаются в области наименьшего влияния приствольной выработки.
Конструкция промежуточного яруса при типовой схеме С1(т) представлена на рисунке 3.11, при типовых схемах С2(т) и С3(т) на рисунке 3.12. Рассмотренные конструкции могут также быть использованы в безрасстрельных схемах армировки С1(б) и С3(б) (см. таблицу 3.2). Для оценки работоспособности предложенных конструктивных решений было выполнено численное моделирование пространственной системы жесткой армировки ствола методом конечных элементов в соответствии с ранее рассмотренными положениями.
Нами разработаны 2 типа стержневых моделей для типовых схем С1(т) и С3(т), модели включают в себя 7 ярусов армировки, 6 из которых имеют типовую конструкцию, а центральный ярус выполнен по новой схеме и расположен на удалении 6 м от соседних ярусов. Тем самым образуется участок с уменьшенным числом точек контакта крепи и армировки высотой 12 м.
Технологическая схема сооружения сопряжений в пройденных вертикальных стволах
В таблице приняты следующие обозначения: Н – глубина ствола; Е – начальный модуль упругости окружающих ствол пород; Rвн – внутренний радиус ствола; 1 – значения Kн.с в крепи ствола выше свода сопряжения; 2 – значения Kн.с в крепи ствола напротив проема сопряжения; 3 – значения Kн.с в крепи ствола ниже подошвы сопряжения; 4 – значения Kн.с в крепи свода сопряжения, заливкой выделены случаи потери несущей способности крепи
Полученные результаты показывают, что применение новой технологии существенно увеличивает область применения существующей крепи эксплуатационного (пройденного) ствола в зоне строительства сопряжений и тем самым исключает необходимость перекрепления рассматриваемого участка. Значения Kн.с при применении новой технологии по сравнению с традиционной на участке 1 в среднем больше в 2,02 раза, на участке 2 – в 1,76 раза, на участке 3 – в 1,93 раза; на участке 4 – в 1,94 раза. При применении дополнительного армирующего слоя с обоснованными параметрами на внутренней поверхности крепи эти значения соответственно составили 3,41; 2,48; 3,19 и 2,58.
Основные элементы разработанной технологической схемы использованы при создании проекта производства работ строительства сооружений вертикального вспомогательного ствола №4 с околоствольными дворами отм. 142,7 и 631,5 м шахты «Гуковская». Акт внедрения представлен в приложении А.
Разработанные решения внедрены при проектировании и строительстве участка загрузочных камер скипового ствола Узельгинского рудника (гор -340 м). Ствол оборудован скиповым подъемом и имеет диаметр в свету 6,0 м. По всей протяженности применена крепь из монолпитного бетона В15, толщиной 300 мм.
Породы в зоне строительства представлены порфиритами различного типа, их основные физико-механические Физико-механические характеристики горных пород № п/п Наименование пород Предел прочности, МПа Угол внутреннего трения,град СцеплениеС, МПа Крепость пород f Коэффициент Пуассона v Объемнаямасса,г/см3 растяжение сжатие сдвиг 1 Диабазовый порфирит 19 12,5-24 92 57-158 15,6 10,7-21 40,3 30,4-47 20,7 15-31 15 10-16 0,07 2,799 2,68-2,925 2 Кварцевый дацитовый порфирит 18,4 14-24 106,7 72-136 15,7 11,5-20 44,7 42,4-47 22,1 15,7-28 12 9-16 0,14 0,1-0,17 2,653 2,609-2,67 Водоприток в рассматриваемом интервале ствола отсутствует. 4.2.2 Технологическая схема работ Принятая технология работ предусматривает поочередную проходку камер в 3 этапа. На первом этапе проходится верхняя подводящая выработка. На втором этапе сооружается, аналогичная верхней, нижняя подводящая выработка. На третьем этапе сооружается камера путем проходки восстающих выработок в направлении снизу вверх от подводящих выработок. Далее в таком же порядке проходится противоположная камера загрузочных устройств (4 - 6 этапы).характеристики представлены в таблице 4.2.
Во время проходки с обеих сторон у стенок ствола предусматривается оставление породных целиков, которые разбираются вместе с крепью после проходки и крепления камер. Предварительно толщина породных целиков принята равной 400 мм. Определение запаса несущей способности монолитной бетонной крепи пройденного ствола до начала рассечки приствольных выработок
Для определения параметров упрочнения крепи выполнена оценка напряженно-деформированного состояния рассматриваемого участка на различных этапах строительства камер. Учитывая высокую прочность пород и отсутствие склонности к пластическим деформациям и ползучести, задача решалась в упругой постановке.
В первую очередь произведн анализ напряженно-деформированного состояния крепи участка ствола на отм. -349,5 м, соответствующей нижней границе сооружаемых камер. Согласно классификации [115] породы рассматриваемого участка относятся к I категории устойчивости, что допускает принимать крепь минимальной толщины без расчета. Обследование состояния крепи ствола на рассматриваемом участке показало отсутствие наружных повреждений крепи. Коэффициент неоднородности крепи на основе проведенных замеров фактической толщины принят равным =1,15. Определение запаса несущей способности крепи произведено по методике [16] с учетом положений главы 2 диссертационной работы. Исходные данные расчта: - характеристики вмещающих пород: модуль деформации, Е0=62000 МПа; начальный коэффициент поперечной деформации, v0=0,07; прочность пород на сжатие, R=92 МПа; средний объемный вес породного массива, у=0,02799 мН/м3; - расчетная глубина ствола на отметке камер загрузочных устройств, Н=349,5 толщина монолитной бетонной крепи, /=0,3 м; - радиус крепи ствола в свету, г2 =3,0 м, внешний радиус, Г]= 3,3 м; характеристики бетона крепи (класс В15): модуль деформации, Е,=23000 МПа; начальный коэффициент поперечной деформации, v7=0,2 расчетное сопротивление бетона одноосному сжатию, і?ь=8,5 МПа
1. Разработана технологическая схема сооружения сопряжения в эксплуатационном (пройденном) стволе, предусматривающая управление напряженно-деформированным состоянием массива путем оставления породного целика с обоснованными размерами, поэтапного раскрытия поперечного сечения сопряжения и ввода крепи усиления в работу.
2. В результате сравнения традиционной и предлагаемой технологических схем сооружения приствольных выработок в пройденных стволах установлено, что переход на предложенную схему работ позволяет увеличить запас несущей способности существующей крепи пройденного ствола в 1,7 - 2,0 раза, а при применении дополнительного усиления крепи углепластиковым ламинатом – в 2,5 - 3,4 раза по сравнению с традиционной технологией.
3. Произведена реализация разработанных решений при реконструкции участка пройденного ствола рудника «Узельгинский». В настоящее время уча сток ствола в зоне приствольных выработок находится в эксплуатации около 5 лет. Нарушений крепи и армировки не наблюдается. Основные элементы техно логической схемы сооружения сопряжений также использованы при разработке проекта производства работ строительства сооружений вертикального вспомога тельного ствола №4 с околоствольными дворами отм. 142,7 и 631,5 м шахты «Гу ковская». На основании полученных результатов сформулировано третье научное положение: – применение схемы сооружения приствольной выработки в направлении «к стволу» через подводящую выработку с оставлением породного целика позволяет уменьшить напряжения в крепи пройденного ствола в 1,7 - 2,0 раза, при этом они нелинейно зависят от ширины породного целика и прямо пропорционально возрастают при увеличении пролета подводящей выработки.