Обоснование рациональных параметров чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.22, кандидат технических наук Масленников, Станислав Александрович

• Масленников, Станислав Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование рациональных параметров чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов»

Актуальность работы. В настоящее время горнодобывающая отрасль России выходит из состояния кризиса середины 90-х годов.ятся новые, реконструируются старые предприятия [40]. В сложном комплексе технологически взаимосвязанных капитальных, подготовительных и очистных выработок горного предприятия особое положение занимают вертикальные стволы. Во времяительства, они, находясь на критическом пути, в значительной мере определяют продолжительность сооружения шахты в целом. Во время эксплуатации, являясь главной транспортной, вентиляционной и коммуникационной магистралью, связывающей подземный и поверхностный комплексы в единую систему, обусловливают надёжность и бесперебойность работы горного предприятия.

Исчерпание запасов полезного ископаемого находящегося на небольшой глубине (до 300 м) и залегающего в благоприятных горно-геологических условиях привело к тому, что всё большее значение приобретает добыча сырья в районах распространения вечной мерзлоты, повышенного горного давления на больших глубинах (св. 700 м), зонах геологических нарушений, при высоком гидростатическом напоре. В подобных условиях применение, при сооружении вертикальных стволов, наиболее распространённых (достигали 96-98% от среднегодового объёма проходки стволов в горной промышленности во второй половине XX века [14]), монолитной бетонной и железобетонной крепей часто нерационально или невозможно.

В настоящее время около 200 стволов закреплённых бетоном имеют нарушения крепи [30]. Попытки повышения несущей способности за счёт увеличения толщины или прочностных характеристик бетона не позволяют существенно расширить область их применения [3,4,12,52]. В слабых, обладающих высокой степенью ползучести породах, при необходимости обеспечения качественной гидроизоляции часто наиболее приемлемым вариантом оказывается возведение комбинированной чугунно-бетонной крепи [20,45]. В последние 510 лет такое решение принимается всё чаще, как, например, при строительстве стволов рудников «Мир», «Удачный», «Таймырский», ГОКа «Гайский» и др. [10,11,35,39,80,81].

Данный вид крепи широко распространённый в 50-60-х годах прошлого века, в последующие 40-50 лет использовался крайне редко и в необоснованно зауженном диапазоне условий [19,45]. В значительной мере это объясняется недостаточной проработкой отдельных теоретических вопросов, в проектировании, и практических, в возведении такой крепи. Так, если основные проблемы монолитной бетонной крепи достаточно изучены, то по чугунно-бетонной крепи, несмотря на всё возрастающую потребность, ситуация прямо противоположная.

Таким образом, поставленные в данной диссертации вопросы о повышении несущей способности, надёжности и экономичности чугунно-бетонной крепи являются актуальными и особо востребованы в современном подземном строительстве. Общие выводы и установленные зависимости представляют интерес и имеют значительные перспективы внедрения во всех областях подземного строительства связанных с проходкой вертикальных стволов в сложных условиях.

Цель работы заключается в обосновании рациональных параметров чу-гунно-бетонной крепи, обеспечивающих безопасную и безаварийную эксплуатацию вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы заключается в перераспределении напряжений между слоями комбинированной крепи равнопропорционально пределу прочности их материалов за счёт применения бетонов с повышенным модулем деформации для повышения несущей способности и снижения материалоёмкости.

Задачи исследования: теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных конструктивных параметров чугунно-бетонной крепи; разработка методики расчёта рациональных параметров чугунно-бетонной крепи; разработка и обоснование технологии крепления с использованием бетонов с указанными свойствами; определение области применения результатов исследования; определение технологической и экономической целесообразности применения предлагаемых параметров крепи с её возведением по разработанной технологии.

Методы исследований. Применён комплексный метод исследования, включающий: системный анализ и научное обобщение литературных источников, результатов исследований других авторов и производственного опыта, обработку массива данных, полученных в результате исследований с использованием методов статистики и теории вероятности, математическое моделирование, а также технико-экономические расчёты.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается объемом анализируемой информации о фактическом состоянии проходки (46 стволов), подтверждается статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств, корректностью постановки задач, использованием математического моделирования, базовых положений методов расчёта, рекомендованных нормативными документами, а также удовлетворительной степенью точности при получении зависимостей методом аппроксимации (не ниже 0,97).

Практическая ценность работы заключается в разработке методики расчёта рациональных параметров чугунно-бетонной крепи и технологии её возведения.

- получена зависимость величины рационального модуля деформации бетона от диаметра ствола, геометрических и прочностных характеристик слоев;

- разработана технология возведения комбинированной крепи по параллельной схеме, отличающаяся сокращённым отставанием установки тюбингов, от забоя ствола, уменьшенной толщиной передового бетона и общего объёма вынимаемой горной массы, а также усовершенствованной конструкцией проходческого полка, и обеспечивающая повышение скорости проходки.

Научное значение работы заключается в разработке метода расчёта рациональных параметров чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов, обеспечивающих максимальную несущую способность, снижение стоимости и увеличение скорости её возведения.

Практическое значение работы заключается в:

- разработке методики проектирования чугунно-бетонных крепей при использовании бетонов с повышенным модулем деформации;

- разработке технологии крепления вертикальных стволов чугунно-бетонной крепью, с повышенным модулем деформации бетона;

- определении области применения предлагаемой конструкции крепи и технологии её возведения.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 - за рубежом, 8 без соавторов.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 119 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 31 таблицу, список использованной литературы из 81 наименования.

Заключение диссертации по теме «Геотехнология(подземная, открытая и строительная)», Масленников, Станислав Александрович

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Плешко М.С., Масленников С.А. Прогрессивные подходы к проектированию глубоких вертикальных стволов / Горный информационно-аналитический бюллетень. - Тематическое приложение «Физика горных пород». - М.: МГГУ, 2006. - С. 409-416.

2. Масленников С.А. Анализ эффективности технологических схем проходки вертикальных стволов в современных условиях / Научно технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр./ Шах-тинский институт ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. - С. 130 - 135.

3. Масленников С.А. Особенности БВР при проходке стволов закрепляемых комбинированной крепью на примере скипового ствола рудника «Мир» / Горный информационно-аналитический бюллетень. -М.: МГТУ, 2007. - №10 - С. 132-137.

4. Масленников С.А. Состояние и перспективы строительства вертикальных стволов в Российской Федерации / Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008.-С. 174-191.

5. Масленников С.А., Аппас А. Состояние и перспективы техники проходки вертикальных стволов в Германии / Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008.-С. 191-199.

6. Масленников С.А. Обоснование выбора технологической схемы возведения чугунно-бетонной крепи на примере скипового ствола рудника «Мир» / Перспективы развития Восточного Донбасса. Часть 1: сб. науч тр./Шахтинский институт (филиал) ЮРГТУ (НПИ). - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 199 - 206.

7. Масленников С.А. Перспективы совершенствования двухслойной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов / Тезисы докладов 2-й междунар. научн.-пр. конф. "Перспективы освоения подземного пространства". - Д.: Национальный горный университет, 2008. - С. 37-40.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная проблема в области крепления вертикальных стволов комбинированной чугунно-бетонной крепью, обеспечивающая повышение скоростей проходки и качества работ при минимальных капитальных затратах.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Выявлен недостаток применяемого подхода к проектированию параметров чугунно-бетонной крепи и технологии их возведения.

2. Разработан и обоснован принципиальный подход к использованию бетонов с повышенным модулем деформации в чугунно-бетонной крепи.

3. Разработаны методические основы расчёта и проектирования комбинированной чугунно-бетонной крепи при использовании бетона с повышенным модулем деформации.

4. Разработана технология крепления вертикальных стволов чугунно-бетонной крепью, позволяющая использовать бетоны с повышенным модулем деформации.

5. Определена область применения предлагаемых конструктивных решений.

6. Произведена технико-экономическая оценка разработанных технических решений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Масленников, Станислав Александрович, 2009 год

1. Атлас механических свойств горных пород. Ленинград: Печатный цех ВНИМИ. 1968. - 90 с.

2. Берг О.Я., Щербаков E.H., Писанко Г.Н. Высокопрочный бетон. М.: Издательство литературы по строительству, 1971. - 208 с.

3. Бернштейн С. А., Друцко В. П., Бураго Н. С. и др. Проходка ствола с применением быстротвердеющего бетона повышенной прочности и комбайна CK 1у // «Шахтное строительство». - 1979. - №8. - С. 23 - 24.

4. Боликов В. Е. Пути повышения устойчивости горных выработок на рудных шахтах // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. - № 6. - С. 189-191.

5. Бузов Г. С. Основные направления дальнейшего совершенствования технологических схем сооружения вертикальных стволов \\ Шахтное строительство. 1989. - №4. - С. 20-22.

6. Булычёв Н. С. Механика подземных сооружений. М: Недра, 1994. 382 с.

7. Булычёв Н.С. Механика подземных сооружений в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1989. 270 с.

8. Булычёв Н. С., Абрамсон X. И. Крепь вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1978.-301 с.

9. Веселов А. Люди никеля. // «Континент Сибирь». 2006. - №50.

10. Веселов Ю. А., Щелканов В. А., Самонин А. В. Совершенствование способов проходки и армирования рудоподъемных стволов // Шахтное строительство. 1989. - №1. - С. 22-24.

11. Влох H.H., Зубков A.B., Боликов В.Е. Рябов С.А. Формирование напряжений в крепи вертикальных стволов // «Шахтное строительство». 1986. -№1,-С. 21-22.

12. Гребенюк В. А. и др. Справочник по горнорудному делу. Под ред. В. А. Гребенюка, Я. С. Пыжьянова, И. Е. Ерофеева. М.: Недра, 1983. 816 с.

13. Докукин О. С. и др. Справочник. «Строительство стволов шахт и рудников». О. С. Докукин, Н. С. Болотских. М.: Недра, 1991. 516.

14. Евдокимов Ф. И., Стоев И. С. Технология и экономика сооружения вертикальных стволов шахт. Москва Недра, 1981. 224 с.

15. ЕНиР. Сборник Е36. Горнопроходческие работы. Вып. 1. Строительство угольных шахт и карьеров / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1988. -208 с.

16. Заславский Ю. 3. Крепление вертикальных шахтных стволов // Уголь Украины. 1985. - №5. - с.42-43.

17. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. -Харьков. ВНИИОМШС, 1990. -75 с.

18. Каплан Л.Б. Чугунные тюбинги и рамные блоки для шахтных стволов. Углетехиздат, 1952. 112 с.

19. Каретников В.Н. и др. Справочник. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок / В.Н. Каретников, В.Б.Клейменов, А.Г. Нуж-дихин. М.: Недра 1989. - 571 с.

20. Кляйн И., Райман Ф. Крепь шахтных стволов из чугуна с шаровидным графитом // «Глюкауф». 1985. - №22. - С. 3 - 7.

21. Козел А. М. Выбор и проектирование крепи вертикальных шахтных стволов // «Шахтное строительство». 1988. - №1. - С. 16-19.

22. Косслар В. Опыт применения анкеров в сочетании с набрызгбетоном при сооружении околоствольных дворов в каменноугольной промышленности //Глюкауф. 1991. -№11-12. - С. 21-26.

23. Кравченко Г. И. Облегчённые крепи вертикальных выработок. Москва Недра, 1974. 208 с.

24. Крастошевский JI.С. и др. Герметизация швов чугунных тюбингов с помощью клея «Эласт» / Л.С. Крастошевский, В.П. Друцко, A.B. Дудник, А.Н. Плишевой, В.И. Бевз, В.В. Левит, Г.Н. Жоров //Шахтное строительство, 1986. -№3,- С. 26.

25. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции: Учеб. для строит, спец. вузов. В 2-х частях. 4.1. Материалы, конструирование и расчёт. М.: Высш. шк., 1988.-287 с.

26. Литвинов В.Я. О причине и механизме повышения несущей способности крепи, имеющей связь с породным массивом //Шахтное строительство, 1990. -с.45-46.

27. Лопатко Ф. Г. Новое в конструкции крепи шахтных стволов // Уголь Украины. 1981. - №12. - С. 40.

28. Лютгендорф X. О. Тридцатилетний опыт применения крепи шахтных стволов со скользящим внутренним цилиндром // Глюкауф. 1986. - №17. -С. 3-16.

29. Мартыненко H.A. и др. Шахтное и подземное строительство. 4.2 Технология строительства вертикальных стволов.: Учеб. пособие/Шахтинский ин-т ЮРГТУ / И.А. Мартыненко, П.С. Сыркин, А.Ю. Прокопов, С.Г. Страданченко. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001. - 260 с.

30. Масленников С.А. Методика определения рационального модуля деформации бетона в комбинированной чугунно-бетонной крепи / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. - №4 - С. 205210.

31. Масленников С.А. Особенности БВР при проходке стволов закрепляемых комбинированной крепью на примере скипового ствола рудника «Мир» / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2007. -С. 132-137.

32. Масленников С.А. Обоснование рациональных параметров комбинированной чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2009. - №4 - С. 210214.

33. Масленников С.А. Определение рациональных параметров бетона, используемого в чугунно-бетонной крепи / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. научн. трудов. Вып. 15. Донецк: «Норд-Пресс», 2009. - С. 21-23.

34. Масленников С.А. Особенности работы бетона в комбинированной чугунно-бетонной крепи / Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. научн. трудов. Вып. 15. Донецк: «Норд-Пресс», 2009. - С. 16-18.

35. Миндели Э. О. Техника и технология проходки вертикальных стволов шахт. М. Недра, 1970. 312 с.

36. Мирзаев Г.Г. Проходка стволов в сложных горно-геологических условиях Текелийского рудника / Г.Г. Мирзаев, Ю.С. Обручев. М.: Цветметинфор-мация, 1969. 49 с.

37. Мирзаев Г.Г. Крепь горных выработок глубоких рудников / Г.Г. Мирзаев, А.Г. Протосеня, Ю.Н. Огородников, В.И. Вхарев. М.: Недра, 1984. 252 с.

38. Нигматулин B.C. Производственные исследования в стволах центральной группы Запорожского ЖРК. // Шахтное строительство. 1984. - №10. - С. 8-10.

39. Ольховиков Ю.П. Крепь капитальных выработок калийных и соляных рудников. М.: Недра, 1984. 238 с.

40. Плешко М.С., Масленников С.А. Прогрессивные подходы к проектированию глубоких вертикальных стволов / Горный информационно-аналитический бюллетень. Тематическое приложение «Физика горных пород». - М.: МГГУ, 2006. - С. 409-416.

41. Покровский Н. М. Технология строительства подземных сооружений и шахт. М: Недра 1982. 200 с.

42. Пшеничный A.A. Пути сокращения сроков и повышение эффективности сооружения вертикальных стволов // Уголь. 1996. - №9. - С. 38-40.

43. Репко A.A. Особенности деформации бетонной крепи вертикальных стволов // «Шахтное строительство». 1987. - №1. - С. 5-6.

44. Репко A.A. Расчёт нагрузок на крепь вертикальных стволов в слабых горных породах // «Шахтное строительство». 1982. - №7. - С. 15-17.

45. Репко A.A., Калинников В.П., Козел A.M. Комплекс приборов и устройств для контроля крепи вертикальных стволов глубоких шахт // «Шахтное строительство». 1984. - №7. - С. 10-11.

46. Репко A.A., Южанин И.А., Савельев А.И., Рубан М.Е. О предельных деформациях сжатия бетонной крепи вертикальных стволов // «Шахтное строительство». 1985. - №8. - С. 16 - 17.

47. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчёту крепи/ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР.-М.: Стройиздат. -1983.-272 с.

48. Садовенко И.А. Расчётные зависимости для определения величины на-гружения крепи шахтных стволов // «Шахтное строительство». 1986. -№11.-С. 15-17.

49. Сергеев С.С. Разработка методов диагностики и прогноза напряжённого состояния крепи вертикальных шахтных стволов в сложных горногеологических условиях. Дисс. На соискание учёной степени д. т. н. Тула. 1997 г. - 321 с.

50. Сизов В.П. Проектирование составов тяжёлого бетона. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1979. - 144 с.

51. Смирняков В.В., Вихарев В.И., Очкуров В.И. Технология строительства горных предприятий. М: Недра, 1989. 573.

52. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений/Минэнерго СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1988. -32 с.

53. СНиП 3.02.03-84. Подземные горные выработки/Государственный комитет СССР по делам строительства. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1985.

54. СНиП 1У-5-82. Приложение. Сборники единых районных единичных расценок на строительные конструкции и работы. Сб. 35. Горнопроходческие работы. Кн. 1/Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1983. - 312 с.

55. СНиП 1У-5-82. Приложение. Сборники единых районных единичных расценок на строительные конструкции и работы. Сб. 35. Горнопроходческие работы. Кн. 2/Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1983. 312 с.

56. Технологический регламент (проект производства работ) на проходку и крепление тюбингами скипового ствола подземного рудника «Мир» АК «Алроса» в отм. -546,4- 1036,9 м. ЗАО «ОШК «Союзспецстрой», 15.01.02.2005.

57. Усаченко Б.М. Свойства пород и устойчивость горных выработок. Киев: Наук. Думка. 1979. - 136 с.

58. Функе-Оберхаг Г.-В., Бранднер Г. Замечания по поводу рационального использования бетона в горном деле // Глюкауф. 1989. - №13-14. - С. 6267.

59. Хартман К., Лецкий Э., Шеффер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.: Мир. 1977. - 552 с.

60. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон: Технология производства работ. М. Стройиздат, 1991. - 576 с.

61. Шинкарь И.Г. Научное обоснование технологии возведения крепи ствола повышенной несущей способности. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Тула, 2004. 88 с.

62. Юрьев Б. Задача с тремя неизвестными // Вестник Алроса. 2006. - №8. -С. 1, 8-9.

63. Ankerausbau im Bergbau. Vorträge anlässlich des fünften internationalen Kolloquium, RWTH Aachen, 2. und 3. Juni 2004. 1. Auflage Aachen: Verlag Glückauf GmbH, Essen, 2004. -570 S.

64. Grübl Р., Weigler H., Sieghart K. Beton. Arten, Herstellung und Eigenschaften. Berlin: Ernst&Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH, 2001.-789 S.

65. Peter C.W. Stephan. Ankerausbau in Strecken hoher Konvergenz // Glückauf. -7/1993.-S. 533-541.

66. Reuther E.-U. Lehrbuch der Bergbaukunde. Essen: Verlag «Glückauf» GmbH, 1989.-812 c.

67. Roschlau H. Sprengen. Theorie und Praxis. Leipzig-Stuttgart: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie. 1992. - 200 S.

68. Schmäh Р., Künstle В., Handke N., Berger E. Weiterentwicklung und Perspektiven mechanisierter Schachtteuftechnik // Glückauf. 2007. - №4.

69. Weber R. Guter Beton: Ratschläge für die richtige Betonherstellung. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik GmbH, 2006. 150 S.

70. Weber R., Riechers H-J. Kies und Sand für Beton. Düsseldorf: Verlag Bau+Technik, 2003. 140 S.

71. Wild H.W. Sprengtechnik in Bergbau, Tunnel- und Stollenbau sowie in Tagebauen und Steinbrüchen. Essen: Verlag Glückauf GmbH. 1984. - 376 S.

72. Используемые интернет-ресурсы80. http://www.alrosa.ru/ сайт АК «Алроса», информация 14.12.2008.81. http://www.souzspecstroy.ru/ официальный сайт объединённой строительной компании «Шахтспецстрой», 6.02.09.шахто