Ходонович Олександр Юрійович

Інститут гірничої справи і геології

Кафедра "Будівництво шахт та підземних споруд"

Спеціальність "Шахтне та підземне будівництво"

Обгрунтування параметрів кріплення вертикальних стволів глибоких вугільних шахт

Науковий керівник: к.т.н., Купенко Іван Володимирович

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

1 Мета і завдання роботи

2 Передбачувана наукова новизна

3 Передбачувана практична цінність

4 Огляд існуючих досліджень

5 Перелік невирішених завдань

6 Заплановані результати роботи

Висновки

Перелік посилань

Вступ

Видобуток вугілля в Донбасі не може бути ефективен без інвестицій у вуглевидобувний комплекс. Загальновизнано, що заставна вартість підприємства пропорційна його капіталізації, від якої залежить привабливість підприємства для потенційних інвесторів і кредиторів, віддача від емісії його цінних паперів. Сьогодні провідні економісти західних країн головною метою діяльності підприємства в умовах ринку вважають вже не прибуток, а зростання його ринкової ціни, яка безпосередньо залежить від капіталізації. Більшість підприємств вугільної промисловості (в тому числі майже всі державні шахти) збиткові, але все ж отримують з державного бюджету солідні дотації на покриття витрат за різними напрямками, у тому числі і на технічне переозброєння. Показники роботи галузі при цьому стабільно погіршуються, оскільки головне джерело капіталізації – додатковий продукт – в цих умовах не створюється, відсутній і власний прибуток підприємства від реалізації продукції.

Одним з напрямків реформування вугільної галузі може стати реконструкція найбільш перспективних шахт з обов'язковим збільшенням виробничої потужності і повним технічним переозброєнням, а також будівництво нових шахт. Очевидно, що реалізація данних заходів зажадає активізації та діяльності науково-дослідницьких і проектно-конструкторських організацій в напрямку розвитку технології добичі вугілля на великих глибинах. Максимальна для шахт українського Донбасса глибина ведення гірських робіт складає на даний момент приблизно 1400 м, а за оцінками декотрих фахівців, вона може вже в найближчі роки перевищити 1700 м.

Як відомо, найважливішою підсистемою видобутку вугілля підземним способом є гірничопрохідницькі роботи з будівництва капітальних виробок. Особливе місце в практиці їх спорудження з функціональної значущості та технологічної специфіки займають вертикальні стволи різного призначення, на частку яких припадає до 30 % вартості і до 50 % загального часу будівництва.

Постійне збільшення глибини ведення гірничих робіт у Донбасі вже сьогодні висуває перед фахівцями в області будівництва стволів ряд додаткових проблем наукового, технологічного та організаційного характеру. Незважаючи на значні фінансові та матеріальні витрати на спорудження і підтримку стволів, і, перш за все, на кріплення, згідно результатів досліджень фахівців УкрНДМІ, НДІОМШБ, понад 50% стволів вугільних шахт українського Донбасу мають порувшення кріплення. Вважається, що основними причинами деформування кріплення стволів поряд зі складністю гірничо-геологічних умов, є невідповідність технології кріплення проекту, а також неврахування особливостей прояву гірського тиску і посилення впливу неоднорідності породного масиву,яка зростає з глибиною асиметрії навантажень на ствол та інших факторів.

Аналіз досліджень останніх років у сфері механіки гірських порід і підземних споруд дозволяють стверджувати, що підвищення стійкості кріплення стволів повинно здійснюватися не за рахунок зростання її матеріалоємності, оскільки витрати на кріплення при проходці стволів дуже істотні і можуть досягати 80 % їх вартості. Збільшення товщини найбільш розповсюдженої на практиці монолітного бетонного кріплення на 10 см призводить до зростання вартості ствола на 15%, а витрати бетону – на 30 %.

Отже, існує гостра необхідність у розробці нових технологічних рішень з кріплення стволів; вдосконалення розрахункових методик, особливо в частині обліку фактора асиметричності навантажень на кріплення, роль якого буде зростати з глибиною ствола.

Вирішенню цього завдання і буде присвячена дана робота. Вищесказане дозволяє стверджувати, що її актуальність сумнівів не викликає.

1 МЕТА І ЗАВДАННЯ РОБОТИ

Мета роботи полягає в обгрунтуванні раціональних параметрів бетонного кріплення вертикальних шахтних стволів.

Завдання досліджень:

• зробити аналіз літературних джерел за темою даної роботи;
• за допомогою методів математичної статистики встановити величини відхилень форми поперечного перерізу вертикальних шахтних стволів від проектної (круглої) залежно від їх діаметра і глибини, використовуючи фактичні дані по 110 стволах українського Донбасу;
• з використанням кінцево-елементних моделей встановити особливості напружено-деформованого стану (НДС) системи "бетонне кріплення ствола – породний масив" з урахуванням технологічних похибок при кріпленні ствола бетонами різного класу і віку в різноманітних гірничо-технологічних умовах проходки;
• на підставі проведених досліджень запропонувати рекомендації по визначенню оптимальної товщини бетонного креплення ствола в залежності від його глибини, діаметра, параметрів вміщуючих порід та фізико-механічних характеристик бетону.

2 ПЕРЕДБАЧУВАНА НАУКОВА НОВИЗНА

Передбачувана наукова новизна роботи полягає:

• у встановленні величин відхилень форми поперечного перерізу вертикальних шахтних стволів українського Донбасу від проектної (круглої) в залежності від їх діаметра і глибини;
• у встановленні особливостей НДС системи «бетонне кріплення ствола – породний масив»з урахуванням технологічних похибок при кріпленні ствола бетонами різного класу і віку в різноманітних гірничо-технологічних умовах проходки.

3 ПЕРЕДБАЧУВАНА ПРАКТИЧНА ЦІННІСТЬ

Передбачувана практична цінність полягає в розробці рекомендацій з визначення оптимальної товщини бетонного кріплення ствола з урахуванням технологічних похибок при кріпленні, в залежності від його глибини, діаметра, параметрів вміщуючих порід та фізико-механічних характеристик бетону.

4 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ ДОСЛІДЖЕНЬ

Створена науково-технічна база, забезпечила реальний прогрес у питаннях проектування, проходки, застосування різних видів кріплень стволів, вибору заходів їх охорони і т.д

Разом з тим, вже тривалий час простежується певний застій у динаміці зростання техніко-економічних показників (ТЕП) будівництва вертикальних стволів; тривалий час не спостерігається розвитку і вдосконалення технологічних схем проходки стволів, не відбувається модернізація обладнання. Все це явно суперечить світовим тенденціям розвитку шахтного будівництва.

Очевидно, що надійність роботи кріплення стволів повинна забезпечуватися на всіх стадіях їх будівництва, експлуатації, ліквідації. У той час, як показали тривалі спостереження стану вертикальних стволів українського і російського Донбасу [1,2]. У середньому близько 50 % з них мають порушення кріплення та армування різного ступеня тяжкості

ТТакий стан справ абсолютно неприпустимий, оскільки спорудження вертикальних стволів є найбільш тривалим – до 50 % від часу будівництва сучасної шахти і дорогим процесом – на його частку припадає до 30 % кошторисної вартості будівництва шахти [3]. Термін же експлуатації ствола найчастіше дорівнює терміну служби шахти. Будь-які порушення кріплення або армування в процесі експлуатації не тільки вимагають серйозних витрат на їх усунення, а й обов'язково призводять до різнорідних збоїв у роботі гірничого підприємства аж до повного припинення видачі корисної копалини на поверхню.

Вважається [1], що основними причинами деформування кріплення стволів є:

1. Помилкові, непередбачувані гірничо-геологічні умови.
2. Невідповідність технології кріплення проекту.
3. Неврахування особливостей прояву гірського тиску внаслідок впливу структурної і механічної неоднорідності породного масиву.
4. Неврахування асиметрії навантажень на ствол, ступінь якої зростає з глибиною.
5. Інші фактори.

Слід зазначити, що спроби врахувати перелічені чинники в різних методиках успішно робилися багато разів. Наведемо лише деякі результати досліджень останніх років.

Питанням вибору способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах присвячена докторська дисертація В.В. Левіта [1]. Автором [1] зокрема встановлено нові закономірності взаємодії різних типів кріплень стволів зі складноструктурними порідними масивами при різних видах керуючих впливів на них; дано нове подання кількісної оцінки взаємодії кріплення ствола з шарами різнопотужних і різнопрочних порід при різних умовах їх навантаження і контактування; отримані кількісні показники формування зон дезінтеграції порід на протяжних ділянках кріплення стволів.

Питання спорудження стволів в складних гірничо-геологічних умовах (підвищені водопритоки) розглядалися в роботах Борщевського С.В. [4]. Зокрема, автором [4] встановлено сукупність основних інформативних параметрів стану системи "технологія – бетонне кріплення – водонасичений породний масив", в результаті чого проведено відбір домінантних показників, які підлягають обліку при розробці технологічних схем спорудження вертикальних шахтних стволів; виявлені закономірності формування в приконтурних до стволі зволожених порід геоактівних зон порушення, виконано їх аналітичний опис; встановлені кількісні показники підвищення гідростійкості і міцності бетонного кріплення стволів.

В роботах В.А. Дрібана [5] зокрема розглядалися питання забезпечення безремонтної охорони та експлуатації вертикальних стволів у складних гірничо-геологічних умовах. На підставі результатів багатолітніх наукових досліджень, автором [5] потримані наступні практичні результати: запропонован новий метод оцінки напружено-деформованого стану приствольного масиву гірських порід, який враховує всі основні гірничо-геологічні, гірничотехнічні і геомеханічні фактори; отримані критерії стійкості приствольного масиву і кріплення шахтних стволів; розроблен метод розрахунку кріплення шахтних стволів; запропонован комплекс заходів , що забезпечують стійкість вертикальних шахтних стволів у важких гірничо-геологічних умовах.

Методика розрахунку креплення ствола змінної товщини (облік асімерії навантажень) приведена в роботах Бикової О.Г. [6]. Автором [6] зокрема дано рішення контактної задачі теорії пружності для кілець змінною товщини; розроблені розрахункові схеми різних типів кріплень стволів з урахуванням їх змінної товщини. Це дозволило з більшою обгрунтованістю проектувати креплення заданої змінної товщини для підвищеня її опірності одностороннім навантаженням; вперше ввести диференційований коефіцієнт умов роботи бетонного кріплення в БНіП "Підземні гірничі виробки".

Спроба обліку невідповідності технології кріплення проекту,яка виникає внаслідок асиметрії навантажень на бетонну крепь ствола, зроблена в роботах М.В. Прокопова [2, 7–11].

Нижче перерахуємо основні результати, отримані в [2].

1. За результатами статистичної обробки даних по 74 стволах російського і українського Донбасу:

• встановлено вплив діаметра в світлі і глибини ствола на величину радіальних відхилень стінок кріплення ствола від проектного положення (рис. 1), побудована номограма для визначення максимальних середніх радіальних відхилень монолітного бетонного кріплення ствола в залежності від його діаметра і глибини;
• визначено характер впливу радіальних відхилень стінок кріплення ствола від проектного положення на експлуатаційні якості кріплення;
• визначено тенденції зміни форми поперечного перерізу ствола з глибиной.

Рис. 1. Номограма для визначення максимальних ΔR_max і середніх ΔR_cp радіальних відхилень монолітного бетонного кріплення ствола в залежності від його діаметра D і глибини H[2]

2. На 96 кінцево-елементних моделях (рис. 2) проведено дослідження зміни НДС з урахуванням відхилень стінок кріплення ствола від проектного положення в залежності від типу вміщуючих порід, глибини, діаметра і товщини кріплення стволів і виявлення найбільш не сприятливих комбінацій факторів.
3. Розроблені методичні рекомендації щодо розрахунку та проектування кріплення та армування з урахуванням вірогідних відхилень кріплення ствола від проектного положення і форми.

Було запропоновано ввести в розрахунок товщини кріплення коефіцієнт концентрації напружень k_т в місцях стоншування кільця, що виникають у результаті неминучих технологічних похибок. З його урахуванням формула для нормативного розрахунку товщини кріплення приймає вигляд:

де m_y – коефіцієнт умов роботи кріплення, що приймається рівним 1,25; r₀ – радіус вертикальної виробки у світлі, мм; m₆₁, m₆₃, m₆₇ – відповідно коефіцієнти, що враховують тривале навантаження, умова для наростання міцності і температурні коливання; R_пр – розрахунковий опір бетона на стиск, кПа; k_р – коефіцієнт концентрації напружень в конструкції кріплення, що приймається рівним 1 на протяжних ділянках ствола і рівним (2 – 0,05z) в районі сполучення, де z – відстань від вузла сполучення до розглядаємого перетину, м; P – горизонтальний тиск на кріплення, кПа; σ_пб – ттовщина породобетонної оболонки, що створюється за рахунок проникнення бетону в навколишні порушені породи.

Рис. 2. Приклад кінцево-елементної моделі [2]: а – загальний вид, б – фрагмент кріплення

5 ПЕРЕЛІК НЕРОЗВ'ЯЗАНИХ ЗАДАЧ

Як показав проведений огляд літературних джерел, на сьогодняшній день недостатньо повно, на наш погляд, вивчено вплив фізико-механічних властивостей і віку бетону кріплення ствола на НДС системи кріплення-масив з урахуванням відхилень стінок кріплення ствола від проектного положення. Це особливо важливо при використанні поєднаної технологічної схеми проходки стволів, яка застосовується в нашій країні найбільш часто (98%). Як відомо [3] , найбільш істотний недолік даної схеми полягає в тому, що набір міцності бетонної суміші відбувається в привибійному просторі під час перерозподілу гірського тиску та інтенсивного зсуву породних стінок. У роботі ж [2] на кінцево-елементних моделях досліджувався бетон тільки одного класу – В25, причому його характеристики задавалися у віці 28 діб, коли набрано 100% міцності.

Ми вважаємо, що необхідно провести додаткові дослідження НДС системи "крепь-масив" з урахуванням відхилень стінок кріплення ствола від проектного положення для бетонів В15 (найбільш часто застосовується в відчизняній практиці кріплення стволів) і В20, і у віці,який відповідає моменту зняття опалубки, в тому числі для глибин понад 1500 м.

Необхідно також побудувати аналогічну рис. 1, номограму для визначення максимальних середніх радіальних відхилень монолітного бетонного кріплення ствола в залежності від його діаметра і глибини в результаті аналізу додаткових даних – по 110 стволах українського Донбаса.

В цьому випадку значення коефіцієнта концентрації напружень k т будє ще більш наближенє до реальних умов проходки стволів в українському Донбасі.

6 ЗАПЛАНОВАНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Результати повинні складатися в успішному вирішенні сформульованих вище завдань досліджень, що забезпечить досягнення поставленої в даній роботі мети.

ВИСНОВКИ

В результаті аналізу літературних джерел визначені мета і завдання даної магістерської роботи.

У 1-му розділі буде проведений більш детальний порівняно з п.4 цього реферату аналіз літературних джерел за темою даної роботи

У 2-му розділі за допомогою методів математичної статистики будуть встановлені величини відхилень форми поперечного перерізу вертикальних шахтних стволів від проектної (круглої) залежно від їх діаметра і глибини з використанням фактичних даних по 110 стволах українського Донбасу.

У 3-му розділі з використанням кінцево-елементних моделей будуть встановлені особливості напружено-деформованого стану (НДС) системи "бетонне кріплення стовбура – масив порід" з урахуванням технологічних погрішностей при кріпленні ствола бетонами різного класу і віку в різноманітних гірничо-технологічних умовах проходки

В 4-му розділі на підставі проведених досліджень будуть запропоновані рекомендації щодо визначення оптимальної товщини бетонного кріплення ствола в залежності від його глибини, діаметра,параметрів вміщуючих порід та фізико-механічних характеристик бетону.

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

1. Левіт В.В. Геомеханічні основи розробки і вибору комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів у структурно неоднорідних породах: автореф. дис. докт. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 1999. – 38 с.
2. Прокопова М.Ю. Обоснование параметров крепи и жесткой армировки глубоких вертикальных стволов с учетом фактических отклонений от проекта в процессе проходки: автореф. дис. канд. техн. наук: 25.00.22 / ЮрГТУ. – Новочеркасск, 2004 – 24 с.
3. Миндели Э.О., Тюркян Р.А. Сооружение и углубка вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1982. – 312 с.
4. Борщевський С.В. Фізико-технічні та організаційні основи інтенсивних технологій спорудження вертикальних стволів у породному масиві з підвищеною водоносністю: автореф. дис. докт. техн. наук: 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2008. – 38 с.
5. Дрібан В.О. Геомеханіка управління стійкістю приствольного масиву гірських порід глибоких вугільних шахт: автореф. дис. докт. техн. наук : 05.15.04 / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2004. – 35 с.
6. Быкова О.Г. Расчет крепи вертикальных шахтных стволов с учетом ее переменной толшины: дис. канд. техн. наук: 05.15.11 / ВНИМИ. – С.-Петербург, 1997. – 182 с.
7. 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.
8. 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. Ч.2 / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2001. – С. 77-80.
9. 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.
10. 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.
11. 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.