Вугільна промисловість є однієї із провідних галузей народного хозяйства України. Підвищення економічної ефективності капітальних вкладень, сокращение строків спорудження об'єктів, поліпшення якості й зниження вартості строительства в промисловості є найважливішими проблемами сучасності.
Сучасний розвиток підприємств гірничодобувної промисловості, і в частности вугільних шахт, характеризується безперервним зростанням проектних потужностей і глибини розробки, високої капiтало- і фондоемкостью. Основна частина капітальних витрат при будівництві й реконструкції шахт і рудників витрачається на спорудження гірських вироблень. Ці витрати становлять 50...60% загального кошторису капітальних вложень. Ріст проектних потужностей, перехід на будівництво шахт зі стовбурами глибиною 1000...1400 м збільшили кошторисну вартість промислового підприємства до 170...200 млн.руб.(у цінах 1984 р.), обсяг гірських вироблень - до 1 млн.м3 вироблень у світлі й директивнi строки будівництва від 6 до 8 років, тривалість будівництва й реконструкцiї вугільних підприємств в 1,5...2 рази перевищує нормативні строки, що в на-вартий час є основною причиною недостатніх темпів розвитку Донецького басейну й росту обсягів незавершеного будівництва [1-6].
Будівництво вертикальних стовбурів є одним з найбільш складних, дорогих і трудомістких процесів у комплексі робіт з будiвництва шахти. Якщо оцінювати динаміку розвитку техніко-економічних показників будівництва вертикальних стовбурів у колишньому СРСР і Україні, слід зазначити, що протягом останніх 30 років істотного поліпшення їх не спостерігається, незважаючи на відділові безперечні практичні, науково-технічні й проектно-конструкторські досягнення.
Зі сказаного випливає актуальна необхідність виконання системного аналізу розвитку будівництва вертикальних стовбурів у колишньому СРСР, дослідження структури застосовуваних технологій, їхніх основних параметрів, закономірностей, вплив їх на кiнцевi результати з метою визначення основних напрямків удосконалювання технологiї будівництва.
Фундаментальні дослідження останнього років у сфері механіки гірських порід і підземних споруджень дозволяють затверджувати, що пошук і розробка нових рішень по кріпленню шахтних стовбурів і збільшенню темпів їхні проходки повинні здійснюватися в першу чергу не за рахунок підвищення матеріалоємності й несучої здатності кріплення, а головним чином, за рахунок створення комбінованих охоронних конструкцій стовбурів, которi б забезпечували загальносистемний керований вплив регулятивними засобами на підвищення несучої здатності порід і кріплення, збільшували гідрозахист стволiв, мали б субоптимальнi параметри й знижували б нерівномірні асиметричні навантаження на стовбури[1-5].
Аналіз стану техніки й технології в цьому плані показує, що теоретиче-ское узагальнення й розробка геомеханичних і гідрогеологічних основ створення й технологічних рішень використання комбінованих способів кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт, які проходяться в структурно неоднорідних породних масивах, є актуальною науково-технічною проблемою. У зв'язку зі надзвичайно більшим різноманіттям гірничо-геологічних і горнотехничних умов наукова база й рівень пророблення й рішення відзначених вище питань досить не однакові для різних умов. Однієї з основних причин незадовільного положення речей є недостатній розвиток загальних концептуальних подань про механізми формування напружено - деформованого стану пристовбурного масиву й поводження системи "кріплення-масив" протягом усього періоду експлуатації шахтних стовбурів в умовах підвищених водопритокiв, що дозволяв б цілеспрямовано розробляти й використати різні способи й засоби забезпечення їхньої стійкості в складних умовах.
Таким чином, дослідження, спрямовані на вивчення механізмів формування й еволюції напружено - деформованого стану пристовбурного масиву й кріплення шахтних стовбурів, які навантажуються в часі для забезпечення їх безремонтної експлуатації є актуальним науково-практичним завданням, що має важливе народногосподарське значення. Рішенню цього завдання, що має важливе практичне значення, і присвячена ця магістерська робота.
Об'єкт дослідження -вертикальні стовбури вугільних шахт в умовах підвищених водопритокiв. Предмет дослідження - високоміцне гідростійке бетонне кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт, що споруджують у неоднорідному породному масиві.
Ідея даної роботи полягає в поліпшенні гідроізоляційних властивостей бетонного кріплення вертикального стовбура для зменшення вывалообразования й збільшення строків її безремонтної експлуатації.
Мета й завдання досліджень. Метою магістерської роботи є в розробка науково обґрунтованих методів проектування й організації проходки вертикальних стовбурів шахт в умовах підвищеної водоносності породного масиву на основі встановлення залежностей параметрів постійного кріплення з урахуванням комплексного поду-ходу до питання взаємодії кріплення й масиву приконтурних гірських порід.
Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені й будуть вирішені такі задачі:
1. Виконати системний аналіз розвитку техніки й будівництва вертикальних стовбурів у гірничодобувній промисловості колишнього СРСР і на його основі визначити вплив застосовуваних технологій і їхніх структур на динаміку розвитку основних техніко-економічних показників, наявність закономiрностей і кореляційних зв'язків між ними;
2. Розробити методику дослідження закономірностей і визначити характер впливу технології на тривалість і питому вартість робіт;
3. Розробити науково обґрунтовані технологічні прийоми, що підвищують гідростійкість бетонного кріплення стовбурів і стовбур, що вміщає, масиву, розробити ефективні методи водоподавлення з використанням нового устаткування й матеріалів на місцевій сировині;
4. Досліджувати закономірності взаємодії системи "кріплення - породний масив" у вертикальних стовбурах вугільних шахт із обліком водопритокiв, неоднорідності масиву порід, типів кріплення;
5. Оцінити вплив водонасыченого масиву на кріплення залежно від її конструкції, технології й темпів проходки, дослідивши системи "кріплення стовбура - вода - породний масив" у складноструктурних водонасыщенных породах;
6. Узагальнити результати досліджень і встановити найбільш раціональні й дешеві напрямку їхньої реалізації.
Наукова новизна роботи:
– Уперше на основі з і узагальнення інформації про технологічних геологогеомеханiчних умови проходки й кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт у водонасыщенных багатошарових породах виконані експериментальне обґрунтування й практичне рішення комплексу питань, необхідних для розробки й створення в специфічних умовах процесу спорудження вертикальних стовбурів нових технологічних схем і технологічних моделей, нової оцінки якості формування структури різних технологічних схем і ступеня економічної ефективності інтенсифікації будівельно-монтажних робіт за рахунок поліпшення технології.
– Установлені закономірності й особливості взаємодії системи "кріплення стовбура - вода - породний масив", які враховують вплив структурної й прочностной неоднорідності порід, гірничо-технологічні фактори, що використано для створення науково-технічних принципів комбінованих способів кріплення й вибору найбільш раціональних сполучень основного кріплення стовбурів і водоiзолюючих елементів.
– Комп'ютерним моделюванням на базі просторової моделі механіки гірських порід досліджений вплив чергування волого насичених рiзнопотужних і рiзноміцних шарів порід на стан деформування системи "кріплення стовбура - вода - неоднорідний масив".
– Розроблені геомеханiчнi й технологічні основи вибору й наукового обґрунтування конструкцій і параметрів монолітного бетонного кріплення вертикальних стовбурів вугільних шахт у волого насичених структурно неоднорідних породах, які характеризуються підвищеним ресурсозбереженням, технологічністю й надійністю.
Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацiй роботи підтверджена: основних висновків і рекомендацій підтверджується статистично значимим обсягом аналізованої інформації про фактичний стан проходки й армування; задовільною збіжністю результатів статистичного аналізу значного обсягу (результатами обстеження понад 210 глибокий вертикальних стовбурів) фактичних даних (коефіцієнти кореляції не менш 0,99), обсягом лабораторних і шахтних досліджень, сполученням теоретичних і експериментальних досліджень із використанням апробованих методик і фундаментальних положень механіки суцільного середовища, теорії імовірності, математичної статистики й ЕОМ, задовільною збіжністю результатів розрахунків і експериментальних досліджень (розбіжності не перевищують 20%), позитивними результатами перевірки й впровадження у виробництво технічних і технологічних рішень в умовах будівництва нових і реконструкції діючих шахт, конструктивно-технічними заходами по охороні й підтримці шахтних стовбурів.
Наукове значення роботи полягає у встановлення нових закономірностей взаємодії системи "кріплення стовбура - вода - неоднорідний породний масив", в використанні закономірностей зміни властивостей і стану приконтурного масиву й кріплення стовбура від величини водопритокiв для обґрунтування технічних рішень підвищення його стійкості й гідрозахисту за рахунок керування станом приконтурного масиву на грані зони непружних деформацій у часі, зменшенням його волого насичених й керування властивостями бетонного кріплення за рахунок технологій його зведення, заснованих на спецдобавках у компоненти бетонної суміші:
– установлена структура технології будівництва вертикальних стовбурів, закономірності й взаємозв'язку її основних параметрів і техніко-економічних показників будівництва;
– дане нове подання з кількісною оцінкою взаємодії стовбура із шарами рiзнопотужних і рiзноміцних порід при різних умовах їх навантаження й контактування при різних водопритоках;
– визначено фізико-механічну сутність процесів старіння компонентів бетонної маси в процесі її готування й отримані кількісні показники формування високоміцного гідростійкого бетонного кріплення;
– розроблені геомеханічні основи обґрунтування й вибору способів кріплення стовбурів у структурно неоднорідних волого насичених породах;
– установлені нові закономірності взаємодії різних типів кріплень стовбурів при різних водопритоках зі складноструктурними породними масивами при різних видах керуючих впливів на них;
Практичне значення роботи: роботи полягає в обґрунтуванні й розробці технологічної схеми будівництва стовбура в умовах підвищених водопритокiв з максимальною інтенсивністю виробничих процесів і сполученням їх по часу, розробці практичних рекомендацій з вибору основних параметрів технологічного циклу й спорудження стовбура як комплексу а також у наступному:
– в обґрунтуванні й розробці технологічної схеми будівництва стовбура з максимальної інтенсивністю виробничих процесів і сполученні їх у часі, розробці практичних рекомендацій з вибору основних параметрів технології в умовах підвищених водопритокiв.
– у розробці методу оптимізації параметрів процесу з різною структурою будівельно-монтажних робіт при проходці стовбурів.
Методи досліджень.Методичною основою є комплексний підхід, що включає: аналіз і узагальнення науково-технічних досягнень по проблемі; імовірностностатистичний аналіз; проведення лабораторних і шахтних експериментів; аналітичні дослідження з використанням ЕОМ і із застосуванням положень механіки суцільного середовища й підземних споруджень; техніко-економічний аналіз.
Апробація роботи. Основні положення, наукові й практичні результати роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференцiях по гірничій справі "Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості" 2009, (Кривій Ріг), у тому числі на "Форумі гірників- 2009, 2010" (Дніпропетровськ); по проблемам геомеханіки й гидрогеомеханіки в гірничій справі й будівництві (Антрацит, Тула, 2009-2010); кріпленню вертикальних стовбурів шахт (Ростову-на-Дону, Шахти, Новочеркасск, 2009-2010); на міжнародних конференціях кафедри "Геостроительство й гірські технології" " Сучасний стан і перспективи розвитку гірництва та підземного будівництва" КПИ (25 травня 2010р. і 8 квітня 2011 г); на науково-технічних нарадах і школах по обміні передовим досвідом кріплення гірських вироблень. Публікації. Результати досліджень автора, які включені в магістерську роботу, викладені в 4 друкованих роботах, 1 з яких - у провідних спеціалізованих виданнях.
Проблема забезпечення тривалої стійкості глибоких вертикальних стовбурів і масиву гірських порід, що вміщають, для підвищення їхньої експлуатаційної надійності протягом багатьох років є предметом численних дискусій і пошуків. Значний внесок у рішення відзначеної проблеми зробили вчені й провідні спеціалісти науково-дослідних інститутів, вищих навчальних закладів і проектних інститутів України й країн СНД, таких як НИИОМШС, УКРНИМИ НАН України, ІГТМ ім. М.С. Полякова НАН України, НДИГМ ім. М.М. Федорова, ДОНУГИ, ДОННТУ, НГУ, КТУ, ДОНДТУ, КПИ, НПИ, ТУЛДУ, МДГУ, Дондипрошахт, Днипрогипрошахт, ДИОС, Оргтехшахтострой і т.буд. Значний внесок у рішення відзначеної проблеми внесли Бак-лашов И.В., Либерман Ю.М., Руппенейт К.В., Козел А.Н., Крупенников Г.О., Протосеня А.Г., Буличев Н.С., Усаченко б.М., Виноградов в.В., Максимов о.П., Єржанов Ж.С., Ша-шенко А.Н., Роенко А.Н., Литвинский Г.Г., Новикова Л.В., Сдвижкова О.А., Левіт В.В., Кипко Э.Я., Назимко В.В., Должиков п.М., Петренко В.Д., Садовенко И.О., Дрибан В.О., Андрєєв Б.Н., Полозов Ю.А., Дружко Е.Б. Проведеними фундаментальними дослідженнями ИГТМ ім. М.С.Полякова й ДОНФТИ НАН України, УКРНИМИ, НИИОМШС, До-нуги, ПОЧУЙ, НИИГМ ім. М.М. Федорова, МГГУ, ТУЛГУ, НИГРИ, Національної гора^-ний академією України, Криворізьким, Донецьким і Київським технічними унiверситетами, проектними інститутами ("Днепрогипрошахт", "Донгипрошахт", "Южгипро-шахт") [6-11] створена належна науково-технічна база, що забезпечила реальний прогрес у проектуванні, спорудженні й експлуатації шахтних стовбурів. Але завдання підвищення повноти й вірогідності даних про літолого-структурну й прочностной неоднорідності порід, оцінки їхнього впливу на якісні й кількісні показники гірського тиску, прояву при цьому асиметрії навантажень на стовбури залишаються ключовими в розкритті механізму взаємодії системи "кріплення стовбура - породний масив" і обґрунтуванні конструктивно-технологічних рішень підвищення їхньої стійкості.
Розвиток світової й вітчизняної вугільної промисловості характеризується підвищенням конкурентноздатності вугілля, що має потребу в будівництві нових і модернізації діючих вугільних шахт. Одним з найбільш складних вартісних процесів у комплексі робіт щодо будівництва й реконструкції шахт є спорудження вертикальних стовбурів [12-15]. При перетинанні водоносних порід, вода попадає в суміжні з водоупором шари, що приводить до їхнього наступного розмокання. Був проведений цілий комплекс досліджень, що дозволив одержати залежності зниження міцносних характеристик від размокаемостi порід (рис.1, табл.1).
Таблиця 1 Результати визначення фізико-механічних властивостей порід, що вміщають обстеженi стовбури Донбасу
Анiмований рисунок "Залежність міцності порід від вологості": 1 - піщаники; 2 - піщані сланці; 3 - глинисті сланці. (24 кадру; час між кадрами 50 милiсекунд; зроблений в GіF-анiматорi)
Крім того, аналіз вывалообразования на основі створеної на кафедрі Сшипс бази проходки вертикальних стовбурів Донбасу дозволив одержати залежність вывалообразования в стовбурах від водопритокiв (рис.2).
Рис.2. Залежність величини обсягу вывалу від залишкового водопритока
У результаті обробки й узагальнення отриманих експериментальних даних установлено наступне. 1. При перетинанні стовбуром водоносного обрію в приконтурной зоні масиву формується геоактивна зона з підвищеною тріщинуватістю й водонасыщением, глу-бина якої досягає 1,5.1,8м, а негативний вплив проявляється в підвищеному выва-лообразовании й корозії бетону. 3. Поширення зони вологонасичення від границі водоносного обрію в сторо-ну водотривкого шару становить 1,0.1,5 м. 4. Наближені водоносні обрії, які розділені водотривким шаром невеликої потужності, поводяться як єдиний водоносний обрій. 5. Контур зони порушених і волого насичених порід у горизонтальній площині витягнуть у напрямку лінії "падіння-підняття" шару.
Результати лабораторних і шахтних досліджень покладені в основу компьютерного моделювання стану незакріпленого стовбура й взаємодії волого насичених порід з бетонним кріпленням [16,17]. При дослідженні напружено - деформованого стану призабойної частини стовбура в більшості випадків завдання вирішувалася в плоскій постановці, що не дозволяло врахувати всі особливості деформації порід на незакріпленій ділянці вибою стовбура, а також вплив зведених кілець із бетону, що твердне, один на одного при дії на стовбур навколишнього волого насиченого масиву, тому для дослідження стану породного масиву й кріплення була розроблена об'ємна модель, що враховувала результати шахтних експериментів, розрахунок якої можливий за допомогою наближених чисельних методів у програмному комплексі Ліра - 9.0 методом кінцевих елементів.
У результаті розрахунку визначалися напруга на контакті кріплення й породи, які прикладалися до зовнішніх циліндрових граней зовнішніх об'ємних кінцевих елементів кріплення стовбура.
Вплив шаруватості навколишнього масиву у формуванні ПДВ кріплення стовбура й масиву було враховано розробленою моделлю стовбура з урахуванням взаємодії системи "кріплення - масив". Модель стовбура побудована на основі реальних геометричних розмірів, результатів лабораторних досліджень і застосування розрахункового професійного комплексу Structure CAD for Wіndows, versіon 7.29 R.3 (SCAD) [18].
Модель заснована на об'ємних кінцевих елементах (31892 вузлів, 28116 кінцевих елементів) і більш повно відображає статичну роботу стовбура із що вміщає масивом. Після створення просторової моделі їй надавали деформаційні характеристики, отримані в лабораторних умовах (модуль пружності, деформації, коефіцієнт Пуассона). У сукупності встановлено, що зміна швидкості проходки не робить істотного впливу на співвідношення між напругами й деформаціями при досягненні статичної рівноваги в системі "бетонне кріплення - волого насичений породний масив", що при високій швидкості проходки наступає на більшій відстані від вибою стовбура. Оскільки інтенсивне навантаження кріплення в ранньому віці може порушити процес природного твердіння бетону, привести до порушення його структури, витія тріщинуватості в ньому, що спричинить зниження несучої здатності й волого непроникності кріплення, зменшення її довговічності, доцільно його зведення виконувати з відставанням від вибою не менше 4-х діаметрів стовбура [20,21].
Отримані результати дозволили розробити рекомендації відносно збільшення стійкості вертикальних стовбурів в умовах підвищеної водоносності рідного масиву й розробити технологічні регламенти. Крім того, були розроблені технологічні регламенти по організації водопритокiв по стовбурі при його проходці.
У результаті аналізу літературних джерел визначені мета й завдання даної магістерської роботи. Установлено залежності, що дозволяють удосконалити монолітну бетонну міцнів в умовах підвищених водопритокiв. Отримані залежності й результати комп'ютерного моделювання геомеханічних процесів в околиці водоносних шарів вертикального стовбура дозволили сформулювати рекомендації з вибору гідростійкого високоміцного кріплення при спорудженні вертикального стовбура в складний гiрничо-гидрогеологичних умовах.
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 року. Повний тект роботи й матеріали по темі можуть бути отримані після зазначеної дати.