Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Сооружение устьев вертикальных стволов по объему, затратам и продолжительности составляет относительно небольшую долю в общем комплексе работ по строительству шахт и рудников. Надежность устьев в стадиях строительства и эксплуатации во многом предопределяет завершение строительства стволов в запланированные сроки и бесперебойную работу при их эксплуатации. Между тем уровни аварийности при проходке устьев в отдельных регионах страны составляют до 20 % от общего количества строящихся стволов. К настоящему времени ситуация существенно не улучшилась, о чем свидетельствуют крупные аварии при строительстве устьев вертикальных стволов и выработок на уральских предприятиях. Локализация таких аварий, как правило, требует восстановления устья, что не всегда возможно. В результате места заложения стволов (ствола) переносятся и все горно-строительные работы выполняются заново. Таким образом, разработка комплекса мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и совершенствования технологических схем сооружения устьев с малыми уровнями риска остается актуальной проблемой.
Объект исследований - устья вертикальных стволов.
Предмет исследований - надежность конструкций устьев и технологических схем их строительства.
Основная идея работы - на основе технико-экономического анализа с привлечением исследований объекта в среде 3D и имитационного моделирования разработать мероприятия по обеспечению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства.
Цель диссертации - технико-экономическое обоснование мероприятий по повышению надежности конструкций устьев вертикальных стволов и технологических схем их строительства.
Основные задачи исследований:
-
выполнить анализ причин аварийности устьев вертикальных стволов;
-
установить особенности распределения вертикальных нагрузок на конструктивные элементы устьев;
-
оценить влияние полноты и качества контакта «крепь - грунтовый массив» на надежность конструкций устьев;
-
разработать методику оптимизации параметров конструкций устьев и конструкционных материалов, используемых при строительстве устьев;
-
разработать мероприятия, обеспечивающие высокие уровни надежности технологических схем строительства устьев последовательным и совмещенным способами;
-
сформировать критерий обоснования решений по строительству и эксплуатации устьев, реализующий уровни надежности (или риска) и отражающий затраты подрядчика на мероприятия по повышению надежности конструкций и научно-техническое сопровождение строительства.
Защищаемые научные положения.
-
Неравномерность распределения вертикальных нагрузок на конструкции устья, определяется коэффициентом распределения - функцией от внешних нагрузок, собственного веса конструкций и площади оснований ступеней воротника и опорных венцов.
-
Наиболее опасной по фактору аварийности является завершающая фаза строительства протяженного участка устья, причем уровень опасности зависит от качества контакта крепь - грунтовый массив, характеризуемого величиной удерживающих сил по внешней поверхности крепи.
-
Последовательный детерминированный и вероятностный методы расчета конструкций устья включают оптимизацию параметров конструкций и конструкционных материалов (в том числе размеров воротника и опорного венца в циклах по диаметрам и по углам наклона их оснований), определение «надежности» или «риска» по оптимизированным параметрам, корректируют эффективность мероприятий по повышению уровней надежности или снижения риска.
-
Высокие уровни надежности технологических схем строительства устьев вертикальных стволов последовательным и совмещенным способами в нормальных горно-геологических условиях и, с внедрением струйной цементации и разгружающих анкерных систем в сложных условиях, обеспечиваются мероприятиями, повышающими качество контакта «крепь - грунтовый массив» и снижающими весовые
нагрузки от конструкций устья с их безопасным перераспределением во вмещающем массиве.
Достоверность защищаемых научных положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждается представительным объемом анализируемой информации по строительству и эксплуатации устьев, сходимостью полученных результатов исследований в части аварийности при строительстве устьев, результатами моделирования и технико -экономического анализа с использованием методов современной прикладной статистики, сопоставлением разработанных и практикуемых технологических решений.
Научная новизна результатов исследований состоит:
- в определении причин аварийности устьев;
- установлении неравномерности распределения вертикальных нагрузок на
конструкции устьев, определяемых коэффициентом распределения - функцией от
внешних нагрузок, собственного веса конструкций устьев и площадью оснований
ступеней воротника и опорных венцов;
количественной оценке влияния полноты и качества контакта «крепь - грунтовый массив» на надежность конструкций устьев;
разработке методики многовариантного анализа, включающего детерминированную оптимизацию конструкций устьев и вероятностную оценку надежности оптимизированных конструкций и коррекцию эффективности мероприятий по повышению надежности.
Практическая значимость работы заключается:
разработке совокупности мероприятий по повышению надежности конструкций устьев и технологических схем их строительства;
формировании критерия обоснования технических решений по строительству и эксплуатации устьев;
разработке моделей, алгоритмов, программ и методик, включенных в пакет «Геомеханическое обеспечение шахтного и подземного строительства».
Реализация результатов работы. Результаты диссертации направлены ИГД УрО РАН, ведущим проектным организациям г. Екатеринбурга Уралгипроруда,
Уралгипрошахт, Унипромедь-инжиниринг - и уральским горным предприятиям: Гайский ГОК, Учалинский ГОК, Башкирский МСК.
Личный вклад автора диссертации заключается в сборе и обобщении материалов, постановке задач и проведении исследований, формулировании научных положений, выводов и рекомендаций.
Апробация. Содержание и основные результаты исследований обсуждались: на Международной научно-практической конференции «Уральская горная школа - регионам», г. Екатеринбург, 23 - 24 апреля 2012 г. (Уральская горнопромышленная декада, г. Екатеринбург, 16 - 25 апреля 2012 г.); Международной конференции «Проектирование, строительство и эксплуатация комплексов подземных сооружений», г. Екатеринбург, 22 - 23 мая 2013 г.; семинарах кафедры шахтного строительств УГГУ, 2011, 2012, 2013 гг., г. Екатеринбург.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в шести печатных работах, в т. ч. в двух статьях, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК Минобрнауки Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического указателя из 79 наименований, приложения. Объем работы: 203 страницы компьютерного текста, в т. ч. 12 таблиц, 96 рисунков, 1 приложение.
