Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Прокопова, Марина Валентиновна

• Прокопова, Марина Валентиновна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прокопова, Марина Валентиновна

Введение.

1. Анализ состояния крепи вертикальных стволов угольных шахт Донбасса. Цели и задачи исследования.

1.1. Общие положения.

1.2. Анализ характера и причин нарушений крепи.

1.3. Анализ литературных источников по исследуемой проблеме.

1.4. Выводы по главе 1.

2. Исследование фактических отклонений параметров сечения ствола от проектного положения в зависимости от диаметра и глубины.

2.1. Общие положения.

2.2. Исследования средних радиальных отклонений стенок крепи ствола.

2.2.1. Группировка данных.

2.2.2. Определение корреляцион&й связи радиальных отклонений крепи с глубиной ствола.

2.2.3. Определение корреляционной связи радиальных отклонений крепи с диаметром ствола.

2.3. Множественная корреляция между радиальными отклонениями стенок ствола, его глубиной и диаметром.

2.4. Анализ тенденции изменения формы сечения ствола в свету.

2.5. Анализ тенденции изменения толщины крепи ствола.

• 2.6. Выводы по главе 2.

3. Исследование напряженно-деформированного состояния кольца крепи переменной толщины на математических моделях.

3.1. Постановка задачи и выбор метода ее решения.

3.2. Построение конечно-элементных моделей монолитной бетонной крепи ствола и вмещающих пород.

3.3. Расчет параметров напряженно-деформированного состояния крепи стволов на конечно-элементных моделях.

3.4. Выводы по главе 3.

4. Исследование влияния радиальных отклонений контура крепи ствола на армировку.

4.1. Общие положения.

4.2. Исследование влияния радиальных отклонений контура монолитной бетонной крепи ствола на величину заделки расстрелов в лунках.

4.3. Исследование влияния радиальных отклонений контура монолитной бетонной крепи ствола на длину расстрелов, устанавливаемых на анкерах.

4.4. Исследование влияния радиальных отклонений контура крепи ствола от проектного положения на соблюдение безопасных зазоров между наиболее выступающими частями подъемных сосудов и крепью.

4.5. Выводы по главе 4.

5. Методические рекомендации по проектированию параметров крепи и армировки и оценка экономической эффективности предлагаемых решений.

5.1. Методические рекомендации по проектированию параметров монолитной бетонной крепи.

5.2. Реализация методики проектирования параметров монолитной бетонной крепи на ПЭВМ.

5.3. Методические рекомендации по проектированию параметров жесткой армировки.

Ш 5.4. Оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений и рекомендаций.

5.5. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки»

Актуальность работы. Комплекс вертикальных стволов является одним из основных звеньев в технической системе горнодобывающего предприятия в период его строительства и эксплуатации. В период строительства горнодобывающего предприятия стволы располагаются на критическом пут ти, через них ведутся работы по вскрытию и подготовке месторождения, монтажу проходческого и добычного оборудования, поэтому они оказывают существенное влияние на срок и стоимость всего строительства.

В период эксплуатации стволы являются основными капитальными выработками, служащими для выдачи полезного ископаемого и горной массы, спуска-подъема людей, материалов и оборудования, вентиляции, прокладки кабелей и трубопроводов и др. От работоспособности вертикальных стволов зависит надежность и эффективность работы всего горного предприятия.

На территории бывшего СССР и в России выполнены большие объемы работ по строительству и эксплуатации стволов горнодобывающих предприятий. Строительство и поддержание вертикальных стволов производится на базе нормативных документов, разработанных ведущими организациями и специалистами отрасли. Однако в практике эксплуатации вертикальных стволов часто наблюдаются нарушения крепи и отказы армировки (53% глубоких стволов и 42% стволов средней глубины). Анализ показал, что из общего числа отказов 38-50% нарушений вызваны технологическими отклонениями от проектных решений, допущенными в процессе проходки стволов буровзрывным способом с креплением монолитным бетоном по совмещенной схеме.

Учитывая вышеизложенное, поставлена следующая цель исследования.

Цель работы - повышение работоспособности крепи и армировки вертикальных стволов путем учета на стадии проектирования и строительства ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи от нормативных величин и формы сечения ствола в свету, связанных с особенностями буровзрывной-технологии проходки стволов с креплением монолитным бетоном или железобетоном при помощи передвижных металлических опалубок.

Идея работы. Определение параметров монолитной бетонной (железобетонной) крепи, области регулирования узлов крепления элементов жесткой армировки, безопасных расстояний между наиболее выступающими (И частями подъемных сосудов и крепью ствола должно производится с учетом ожидаемых радиальных отклонений стенок крепи ствола от расчетного положения и изменения формы сечения ствола в свету и толщины крепи, связанных с особенностями технологии ведения работ, диаметром в свету и глубиной ствола.

Методы исследований. В работе использован комплексный метод исследований, включающий:

- системный анализ современного состояния и фактических данных, материалов исследований других авторов, литературных, проектных и нормативных источников;

- методы математической статистики с элементами теории вероятности;

- методы теории упругости, строительной механики и теории предельного равновесия;

- конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива;

- разработку программного обеспечения для расчета основных параметров крепи стволов.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В процессе проходки стволов буровзрывным способом с монолитной бетонной (железобетонной) крепью, вследствие деформации подвесной опалубки, сечение ствола в свету принимает овальную, близкую к эллипсу, форму с постоянной ориентацией большой и малой осей. Величина соотношения малой и большой осей ствола зависят от глубины Н, км, диаметра ствола в свету D, м, и описываются уравнением

Anin/Anax=l -0,018#-0,0015Д а средние радиальные отклонения контура крепи по периметру сечения ствола в свету от проектного положения в процессе проходки прямо пропорциональны диаметру и нелинейно зависят от глубины. Нелинейность связи уси-^ ливается при глубине ствола, превышающей 600 м.

2. Фактическое сечение крепи ствола в горизонтальной плоскости представляет собой кольцо переменной толщиной с внутренним контуром в виде овала. Толщина крепи в кольце характеризуется соотношением малой и большой осей овала, а также величиной и азимутом отклонения центрального отвеса в заходке от вертикальной оси ствола.

3. Максимальные эквивалентные напряжения в бетонной крепи в результате фактических отклонений кольца крепи от проектных положения и формы увеличиваются с глубиной ствола и достигают в местах утонения крепи в крепких породах 110%, в породах средней крепости 120% и в слабых неустойчивых породах 200% от соответствующих напряжений в крепи с проектными параметрами.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- в установлении зависимости между фактическими радиальными отклонениями крепи вертикальных стволов, их глубиной и диаметром;

- в определении тенденции изменения формы и размеров поперечного сечения вертикальных стволов круглого сечения разных диаметров с увели

9 чением глубины и установлении зависимости эллиптичности (отношения малой и большой полуосей) сечения ствола от его глубины и диаметра;

- в установлении зависимости изменения максимальных эквивалентных напряжений и деформаций крепи ствола для различных типов вмещающих пород, глубин, диаметров и толщин крепи вследствие технологических погрешностей при креплении.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом большого массива фактических маркшейдерских данных по 74 стволам, обработанных на ЭВМ с использованием апробированных методов математической статистики; использованием теорем и уравнений аналитической геометрии и математического анализа; конечно-элементным анализом напряженно-деформированного состояния крепи и вмещающего породного массива с использованием апробированного программно-вычислительного комплекса «ЛИРА-Windows» 8.01.

Научное значение работы заключается в установлении зависимости изменения формы сечения ствола в свету, толщины крепи по периметру сечения, радиальных отклонений стенок крепи от проектного положения от диаметра, глубины ствола и типа вмещающих пород при проходке с креплением монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки и их влияния на напряженно-деформированное состояние, несущую способность крепи и область регулирования узлов крепления жесткой армировки.

Практическое значение работы заключается в разработке конкретных рекомендаций для учета изменения формы сечения ствола в свету, фактических радиальных отклонений стенок крепи и ее толщины в процессе проходки при проектировании и строительстве.

Реализация результатов исследований. Результаты работы используются институтом «Ростовгипрошахт», НТЦ «Наука и практика», ОАО «Рос-товшахтострой» при проектировании, строительстве и обследовании состояния крепи вертикальных стволов с применением разработанного Windows-приложения по расчету параметров бетонной крепи в среде Microsoft Visual Basic 6.0.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений» (г. Новочеркасск, 2001 г.), Международных научных симпозиумах «Неделя горняка-2003» (г. Москва, 2003 г.), «Неделя горняка-2004» (г. Москва, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Уголь-Mining Technologies 2003» (г. Алчевск, Украина, 2003 г.); 50-й, 51-й, 52-й и 53-й региональных научно-практических конференциях Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) (г. Шахты, 2001-2004 гг.), научных семинарах ка-• федры строительства подземных сооружений и шахт ШИ ЮРГТУ(НПИ) г. Шахты, 2003-2004 гг.), в технических советах «Ростовшахтострой» (г. Шахты, 2003-2004 гг.), НТЦ «Наука и практика» (г. Ростов-на-Дону, 20032004 гг.), «Луганскгипрошахт» (г. Луганск, Украина, 2003 г.)

Публикации: по теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 139 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 42 таблицы, список использованной литературы из 133 наименований и 14 приложений.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Прокопова, Марина Валентиновна

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Анализ влияния диаметра и глубины ствола на величину радиальных отклонений крепи// Совершенствование проектирования и строительства угольных шахт: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 32-38.

2. Прокопова М.В. О необходимости повышения точности маркшейдерских работ при проходке и креплении вертикальных стволов // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: Материалы междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 19-22 июня 2001.: В 2 ч. 4.2 / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2001.-С. 77-80.

3. Ягодкин Ф.И., Прокопова М.В. Статистический анализ радиальных отклонений крепи вертикальных стволов// Состояние и перспективы развития Восточного Донбасса: Сб. науч. тр. В 2 ч. Ч. 1 / Шахтинский ин-т. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.-С. 95-101.

4. Прокопова М.В., Ходосов В.Г. Возможности применения современных маркшейдерских приборов в строительстве вертикальных шахтных стволов // Научно-технические и социально-экономические проблемы Российского Донбасса: Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003- С. 78-81.

5. Прокопов А.Ю., Плешко М.С., Прокопова М.В. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных шахтных стволов // История становления и развития науки в Шахтинском институте ЮРГТУ(НПИ): Сб. науч. тр./ Шахтинский ин-т ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2003.- С. 168-173.

6. Прокопова М.В. О возможности комбинированного использования анкеров при сооружении вертикальных шахтных стволов // Материалы международной научно-практической конференции «Уголь - Mining Technologies 2003», посвященный 60-летию ГОАО «Луганскгипрошахт»/ Под ред В.Н. Окалелова. -Алчевск: ДГМИ, 2003. - С. 167 - 173.

7. Прокопова М.В. Анализ причин нарушений проектного положения бетонной крепи при сооружении вертикальных стволов// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки - 2003 - Приложение № 4 - С. 61-66.

8. Прокопова М.В. Маркшейдерское обеспечение армирования шахтных стволов безрасстрельными конструкциями// Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки.- 2003 - Приложение № 4- С. 89-93.

9. Прокопов А.Ю., Прокопова М.В. Ресурсосберегающие технологии армирования вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2004. - №1. -С. 220-225.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертационная работа является научно-квалификационной работой, в которой изложены научно обоснованные технические и технологические решения по проектированию монолитной бетонной крепи и жесткой ар-мировки вертикальных стволов с учетом технологических погрешностей в процессе возведения крепи и их влияния на напряженно-деформированное состояние крепи и геометрические параметры армировки стволов, направленные на повышение работоспособности крепи и армировки и имеющие существенное значение для экономики шахтного строительства.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Найдена зависимость между радиальными отклонениями контура крепи ствола от проектного положения, диаметром и глубиной ствола.

Щ>

2. Установлены тенденции изменения формы поперечного сечения ствола в свету и толщины крепи по периметру сечения в зависимости от глубины, диаметра и типа вмещающих пород при креплении монолитным бетоном (железобетоном) с использованием подвесной металлической опалубки.

3. Изучено влияние отклонений контура крепи от проектных положения и формы на напряженно-деформированное состояние крепи и области регулирования элементов жесткой армировки.

4. Разработаны рекомендации по проектированию монолитной бетонной # крепи с учетом изменения формы сечения ствола в свету и фактических радиальных отклонений контура крепи и ее толщины в процессе крепления ствола.5. Разработано Windows-приложение для ПК по расчету параметров монолитной бетонной крепи с учетом технологических погрешностей при креплении.

6. Определены рациональные значения величин заделки элементов жесткой армировки в крепь, величин регулирования положения расстрелов в продольном направлении и рекомендуемые к проектированию значения расстояний между крепью и наиболее выступающей частью подъемного сосуда для обеспечения при заданных глубинах и диаметрах стволов требуемых Правилами безопасности зазоров.

Полученные в работе результаты и выводы рекомендуется учитывать в нормах проектирования параметров монолитной бетонной крепи и жесткой армировки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прокопова, Марина Валентиновна, 2004 год

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. - М.: Высш. шк., 2000. - 560 с.

2. Ардашев К.А. Методы и приборы для исследования проявлений горного давления: Справ./ К.А. Ардашев, В.И. Ахматов, Г.А. Катков. М.: Недра, 1981.- 129 с.

3. Баклашов И.В. Деформирование и разрушение породных массивов. М.: Недра, 1988.-270 с.

4. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. М.: Недра, 1992. - 543 с.

5. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механические процессы в породных массивах. М.: Недра, 1986. - 272 с.

6. Баклашов И.В., Пильч Ю.Б., Ягодкин Ф.И. Современное состояние и основные тенденции развития конструктивных решений жесткой армировки //Строительство предприятий угольной промышленности: Обзорная информация/ М.: ЦНИИЭИуголь, 1986. 29с.

7. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. -М.: Недра, 1979.-263 с.

8. Баронский И.В., Смольников Ю.Б., Богомолов В.Д. О долговечности армировки вертикальных стволов с консольными расстрелами// Шахтное строительство. 1982. - №4, С. 20 - 21.

9. Борщевский С.В. Перспективы совершенствования технологических схем сооружения вертикальных горных выработок//Труды НГУ. №15. Т.2. -Днепропетровск, 2002. - www.cgit.nmu.org.ua.

10. Бугров Я.С., Никольский С.М. Элементы линейной алгебры и аналитической геометрии. -М.: Наука, 1984. 192 с.

11. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1994. - 382 с.

12. Bulychev N.S. Underground Structure Mechanics as a part of Geotechnical Engineering. GEET Conference. Bucharest, ROMANIA, 2000.

13. Булычев H.C., Абрамсон Х.И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.-301 с.

14. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986. - 288 с.

15. Быкова О.Г. Напряжения в кольце переменной толщины// Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр. Тула: ТулПИ, 1988. - С. 49-56.

16. Быкова О.Г. Расчет бетонной крепи переменной толщины// Механика подземных сооружений: Сб. науч. тр. Тула: ТулПИ, 1990.- С. 42-46.

17. Быкова О.Г., Барковский В.М., Булычев И.Н. Исследование влияния толщины крепи ствола на ее напряженное состояние// Шахтное строительство. 1989.-№12. - С. 16-18.

18. Вершинина И.Н., Сыркин С.П. Влияние технологических схем проходки на качество крепи и оконтуривание сечения ствола// Научно-технические проблемы шахтного строительства: Сб. науч. тр. / Шахтинский ин-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2000 - С. 78-82.

19. Веселов Ю.А., Мамонтов Н.В., Третьяченко А.Н. Углубка и ремонт шахтных стволов. М.: Недра, 1992. - 270 с.

20. Виноградов В.В. Геомеханика управления состоянием массива вблизи горных выработок. Киев: Наук, думка, 1989. - 192 с.

21. Волченков Н.Г. Программирование на Visual Basic 6: В 3-х ч. М.: ИН-ФРА-М, 2002.

22. Воробьев А.Н., Гусев Ю.Г., Шрайбер П.А. Конструкция и расчет крепи шахтного ствола переменной толщины// Автоматизация и современные технологии. 2001. - №3. - С. 3-17.

23. Воронцов Г.В., Резниченко А.И., Нечаев Л.Б. Расчет напряженно-деформированного состояния конструкций по методу конечных элементов. Новочеркасск: НГТУ, 1994. - 119 с.

24. Гавруцкий А.Е., Мусиенко В.Д. Аппаратурный контроль геометрических параметров армировки стволов в условиях значительных перемещений породного массива// Шахтное строительство. 1980. - № 7 - С. 24 - 27.

25. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А. Шире применять прогрессивные конструкции жестких армировок стволов//Шахтное строительство, 1987.-№6. С. 1418.

26. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А., Кладов В.М. О горизонтальных нагрузках на проводники жестких армировок в искривленных стволах// Исследование, разработка и эксплуатация шахтных стационарных установок.- Донецк: ВНИИГМ им. М.М. Федорова, 1981. С. 3 - 8.

27. Гаркуша Н.Г., Храмов А.А., Кладов В.М. Определение жесткости консольных расстрелов армировки шахтного ствола//Вопросы разработки шахтных стационарных установок. Донецк, 1982. - С. 112—118.

28. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных выработок. М.: Недра, 1982. - 479 с.

29. Гладкий А.В., Шкапура А.П. Анкерное крепление расстрелов вентиляционного ствола №3 шахты «Комсомолец Донбасса»// Уголь. 1991. - №2. - С. 11.

30. Глушко В.Т., Виноградов В.В. Разрушение горных пород и прогнозирование проявлений горного давления. -М.: Недра, 1982.

31. Глушко В.Т., Гавеля С.П. Оценка напряженно-деформированного состояния массивов горных пород. М.: Недра, 1986. - 221 с.

32. Глушко В.Т., Широков А.З. Механика горных пород и охрана выработок. -Киев: Наукова Думка, 1967. 153 с.

33. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 2001. — 479 с.

34. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. В 2-х ч. Ч. II. М.: Высш. шк., 1999. - 416 с.

35. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука, 1973.-228 с.37