Институт горного дела и геологии

Кафедра «Строительство шахт и подземных сооружений»

Специальность «Шахтное и подземное строительство»

Обоснование параметров крепи вертикальных стволов глубоких угольных шахт

Научный руководитель: к.т.н., Купенко Иван Владимирович

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

2 Предполагаемая научная новизна

3 Предполагаемая практическая ценность

4 Обзор существующих исследований

6 Планируемые результаты работы

ВВЕДЕНИЕ

Добыча угля в Донбассе не может быть эффективной без инвестиций в угледобывающий комплекс. Общепризнано, что залоговая стоимость предприятия пропорциональна его капитализации, от которой зависит привлекательность предприятия для потенциальных инвесторов и кредиторов, отдача от эмиссии его ценных бумаг. Сегодня ведущие экономисты западных стран главной целью деятельности предприятия в условиях рынка считают уже не прибыль, а рост его рыночной цены, который напрямую зависит от капитализации. Большинство предприятий угольной промышленности (в том числе почти все государственные шахты) убыточны, но все же получают из государственного бюджета солидные дотации на покрытие затрат по разным направлениям, в том числе и на техническое перевооружение. Показатели работы отрасли при этом стабильно ухудшаются, поскольку главный источник капитализации – прибавочный продукт – в этих условиях не создается, отсутствует и собственная прибыль предприятия от реализации продукции.

Одним из направлений реформирования угольной отрасли может стать реконструкция наиболее перспективных шахт с обязательным увеличением производственной мощности и полным техническим переоснащением, а также строительство новых шахт. Очевидно, что реализация данных мероприятий потребует активизации деятельности научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций в направлении развития технологии добычи угля на больших глубинах. Максимальная для шахт украинского Донбасса глубина ведения горных работ составляет на данный момент около 1400 м, а по оценкам некоторых специалистов, она может уже в ближайшие годы превысить 1700 м.

Как известно, важнейшей подсистемой добычи угля подземным способом являются горнопроходческие работы по строительству капитальных выработок. Особое место в практике их сооружения по функциональной значимости и технологической специфике занимают вертикальные стволы различного назначения, на долю которых приходится до 30 % стоимости и до 50 % общего времени строительства.

Постоянное увеличение глубины ведения горных работ в Донбассе уже сегодня выдвигает перед специалистами в области строительства стволов ряд дополнительных проблем научного, технологического и организационного характера. Несмотря на значительные финансовые и материальные затраты на сооружение и поддержание стволов, и, прежде всего, на крепление, согласно результатов исследований специалистов УкрНИМИ, НИИОМШС, свыше 50 % стволов угольных шахт украинского Донбасса имеют нарушения крепи. Считается, что основными причинами деформирования крепи стволов наряду со сложностью горно-геологических условий, являются несоответствие технологии крепления проекту, а также неучет особенностей проявления горного давления и усилившегося влияния неоднородности породного массива, возрастающей с глубиной асимметрии нагрузок на ствол и других факторов. Анализ исследований последних лет в сфере механики горных пород и подземных сооружений позволяют утверждать, что повышение устойчивости крепи стволов должно осуществляться не за счет роста ее материалоемкости, поскольку затраты на крепление при проходке стволов весьма существенны и могут достигать 80 % их стоимости. Увеличение толщины наиболее распространенной на практике монолитной бетонной крепи на 10 см приводит к росту стоимости ствола на 15 %, а расхода бетона – на 30%.

Следовательно, существует острая необходимость в разработке новых технологических решений по креплению стволов; совершенствования расчетных методик, особенно в части учета фактора асимметричности нагрузок на крепь, роль которого будет расти с глубиной ствола.

Совмещенная схема проходки вертикального ствола

Решению этой задачи и будет посвящена данная работа. Вышесказанное позволяет утверждать, что ее актуальность сомнений не вызывает.

1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы состоит в обосновании рациональных параметров бетонной крепи вертикальных шахтных стволов.

Задачи исследований:

произвести анализ литературных источников по теме данной работы;

с помощью методов математической статистики установить величины отклонений формы поперечного сечения вертикальных шахтных стволов от проектной (круглой) в зависимости от их диаметра и глубины, используя фактические данные по 110 стволам украинского Донбасса;

с использованием конечно-элементных моделей установить особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «бетонная крепь ствола – массив пород» с учетом технологических погрешностей при креплении ствола бетонами различного класса и возраста в разнообразных горно-технологических условиях проходки;

на основании проведенных исследований предложить рекомендации по определению оптимальной толщины бетонной крепи ствола в зависимости от его глубины, диаметра, параметров вмещающих пород и физико-механических характеристик бетона.

2 ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Предполагаемая научная новизна работы состоит:

в установлении величин отклонений формы поперечного сечения вертикальных шахтных стволов украинского Донбасса от проектной (круглой) в зависимости от их диаметра и глубины;

в установлении особенностей НДС системы –бетонная крепь ствола – массив пород» с учетом технологических погрешностей при креплении ствола бетонами различного класса и возраста в разнообразных горно-технологических условиях проходки.

3 ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Предполагаемая практическая ценность состоит в разработке рекомендаций по определению оптимальной толщины бетонной крепи ствола с учетом технологических погрешностей при креплении, в зависимости от его глубины, диаметра; параметров вмещающих пород и физико-механических характеристик бетона.

4 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Решению проблемы совершенствования технологии строительства, охраны, эксплуатации, ликвидации стволов посвятили свои работы сотрудники отечественных научно-исследовательских, проектных, учебных институтов и университетов: ВНИМИ, НИИОМШСа, ЦНИИподземмаша, Южгипрошахта, Днепргипрошахта, Донгипрошахта, ПромстройНИИпроект», КузНИИшахтстроя, Кривбасспроекта, ДИОСа, НИИГМ им. М.М. Федорова, ДонУГИ, ИГТМ НАН Украины, ДонФТИ НАН Украины, УкрНИМИ, НИГРИ, НГУ, ДонНТУ, КрТУ, МГГУ, СпГГИ, ЮрГТУ, ТулГУ и многих других.

Значительный вклад в создание и совершенствование методик расчета и проектирования крепи и армировки вертикальных стволов внесли работы Борисовца В.А., Борщевского С.В., Булычева Н.С., Дрибана В.А., Дружко Е.Б., Заславского Ю.З., Козела А.М., Крупенникова Г.А., Левита В.В., Плешко М.С., Прокопова А.Ю., Протосени Л.Г, Руппенейта К.В., Страданченко С.Г., Усаченко Б.М., Федунца Б.И., Фотиевой Н.Н., Ягодкина Ф.И. и многих других специалистов.

Созданная научно-техническая база, обеспечила реальный прогресс в вопросах проектирования, проходки, применения различных видов крепей стволов, выбора мер их охраны и т.д.

Вместе с тем, уже длительное время прослеживается некоторый застой в динамике роста технико-экономических показателей (ТЭП) строительства вертикальных стволов; продолжительное время не наблюдается развития и совершенствования технологических схем проходки стволов; не происходит модернизации оборудования. Все это явно противоречит мировым тенденциям развития шахтного строительства.

Очевидно, что надежность работы крепи стволов должна обеспечиваться на всех стадиях их строительства, эксплуатации, ликвидации. В то же время, как показали долгосрочные наблюдения состояния вертикальных стволов украинского и российского Донбасса [1,2], в среднем около 50 % из них имеют нарушение крепления и армировки разной степени тяжести.

Такое положение дел совершенно недопустимо, поскольку сооружение вертикальных стволов является наиболее продолжительным – до 50 % от времени строительства современной шахты и дорогостоящим процессом – на его долю приходится до 30 % сметной стоимости строительства шахты [3]. Срок же эксплуатации ствола зачастую равен сроку службы шахты.

Любые нарушения крепи или армировки в процессе эксплуатации не только требуют серьезных затрат на их устранение, но и обязательно приводят к разнообразным сбоям в работе горного предприятия вплоть до полного прекращения выдачи полезного ископаемого на поверхность.

Считается [1], что основными причинами деформирования крепи стволов являются:

Сложные, непредсказуемые горно-геологические условия.
Несоответствие технологии крепления проекту.
Неучет особенностей проявления горного давления вследствие влияния структурной и механической неоднородности породного массива.
Неучет асимметрии нагрузок на ствол, степень которой растет с глубиной.
Другие факторы.

Следует отметить, что попытки учесть перечисленные факторы в расчетных методиках успешно предпринимались многократно. Приведем только некоторые результатов исследований последних лет.

Вопросам выбора способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах посвящена докторская диссертация В.В. Левита [1]. Автором [1] в частности установлены новые закономерности взаимодействия различных типов крепей стволов со сложноструктурными породными массивами при различных видах управляющих воздействий на них; дано новое представление количественной оценке взаимодействия крепи ствола со слоями разномощных и разнопрочных пород при различных условиях их нагружения и контактирования; получены количественные показатели формирования зон дезинтеграции пород на протяженных участках крепи стволов.

Вопросы сооружения стволов в сложных горно-геологических условиях (повышенные водопритоки) рассматривались в работах Борщевского С.В. [4]. В частности, автором [4] установлена совокупность основных информативных параметров состояния системы «технология – бетонная крепь – водонасыщенный породный массив», в результате чего проведен отбор доминантных показателей, которые подлежат учету при разработке технологических схем сооружения вертикальных шахтных стволов; обнаружены закономерности формирования в приконтурных к стволам увлажненных породах геоактивных зон нарушения, выполнено их аналитическое описание; установлены количественные показатели повышения гидростойкости и прочности бетонной крепи стволов.

В работах В.А. Дрибана [5] в частности рассматривались вопросы обеспечения безремонтной охраны и эксплуатации вертикальных стволов в сложных горно-геологических условиях. На основании результатов многолетних научных исследований, автором [5] получены следующие практические результаты: предложен новый метод оценки напряженно-деформированного состояния околоствольного массива горных пород, учитывающий все основные горно-геологические, горнотехнические и геомеханические факторы; даны критерии устойчивости околоствольного массива и крепи шахтных стволов; разработан метод расчета крепи шахтных стволов; предложен комплекс мер, обеспечивающих устойчивость вертикальных шахтных стволов в сложных горно-геологических условиях.

Методика расчета крепи ствола переменной толщины (учет асимметрии нагрузок) приведена в работах Быковой О.Г. [6]. Автором [6] в частности дано решение контактной задачи теории упругости для колец переменной толщины; разработаны расчетные схемы разных типов крепей стволов с учетом их переменной толщины. Это позволило с большей обоснованностью проектировать крепь заданной переменной толщины для повышения ее сопротивляемости односторонним нагрузкам; впервые ввести дифференцированный коэффициент условий работы бетонной крепи в СНиП «Подземные горные выработки».

Попытка учета несоответствия технологии крепления проекту и возникающей вследствие этого асимметрии нагрузок на бетонную крепь ствола предпринята в работах М.В. Прокоповой [2, 7–11].

Ниже перечислим основные результаты, полученные в [2].

По результатам статистической обработки данных по 74 стволам российского и украинского Донбасса:

установлено влияние диаметра в свету и глубины ствола на величину радиальных отклонений стенок крепи ствола от проектного положения (рис. 1), построена номограмма для определения максимальных средних радиальных отклонений монолитной бетонной крепи ствола в зависимости от его диаметра и глубины;

определен характер влияния радиальных отклонений стенок крепи ствола от проектного положения на эксплуатационные качества крепи;

определены тенденции изменения формы поперечного сечения ствола с глубиной.

Рис. 1. Номограмма для определения максимальных ΔR_max и средних ΔR_cp радиальных отклонений монолитной бетонной крепи ствола в зависимости от его диаметра D и глубины H [2]

На 96 конечно-элементных моделях (рис. 2) проведено исследование изменения НДС с учетом отклонений стенок крепи ствола от проектного положения в зависимости от типа вмещающих пород, глубины, диаметра и толщины крепи стволов и выявление наиболее неблагоприятных комбинаций факторов.
Разработаны методические рекомендации по расчету и проектированию крепи и армировки с учетом вероятных отклонений крепи ствола от проектных положения и формы.

Было предложено ввести в расчет толщины крепи коэффициент концентрации напряжений k_т в местах утонения кольца, возникающих в результате неизбежных технологических погрешностей. С его учетом формула для нормативного расчета толщины крепи принимает вид:

где m_y – коэффициент условий работы крепи, принимаемый равным 1,25; r₀ – радиус вертикальной выработки в свету, мм; m₆₁, m₆₃, m₆₇ – соответственно коэффициенты, учитывающие длительную нагрузку, условие для нарастания прочности и температурные колебания; R_пр – расчетное сопротивление бетона сжатию, кПа; k_р – коэффициент концентрации напряжений в конструкции крепи, принимаемый равным 1 на протяженных участках ствола и равным (2 – 0,05z) в районе сопряжения, где z – расстояние от узла сопряжения до рассматриваемого сечения, м; P – горизонтальное давление на крепь, кПа; σ_пб – толщина породобетонной оболочки, образующейся за счет проникновения бетона в окружающие нарушенные породы.

Рис. 2. Пример конечно-элементной модели [2]: а – общий вид, б – фрагмент крепи

5 ПЕРЕЧЕНЬ НЕРЕШЕННЫХ ЗАДАЧ

Как показал проведенный обзор литературных источников, на сегодняшний день недостаточно полно, на наш взгляд, изучено влияние физико-механических свойств и возраста бетона крепи ствола на НДС системы крепь-массив с учетом отклонений стенок крепи ствола от проектного положения. Это особенно важно при использовании совмещенной технологической схемы проходки стволов, которая применяется в нашей стране наиболее часто (98 %). Как известно [3] , наиболее существенный недостаток данной схемы состоит в том, что набор прочности бетонной смеси происходит в призабойном пространстве во время перераспределения горного давления и интенсивного смещения породных стенок. В работе же [2] на конечно-элементных моделях исследовался бетон только одного класса – В25, причем его характеристики задавались в возрасте 28 суток, когда набрано 100 % прочности.

Мы считаем, что необходимо провести дополнительные исследования НДС системы крепь-массив с учетом отклонений стенок крепи ствола от проектного положения для бетонов В15 (наиболее часто применим в отечественной практике крепления стволов) и В20, в том числе и в возрасте, соответствующем моменту снятия опалубки, в том числе для глубин свыше 1500 м.

Необходимо также построить аналогичную рис. 1, номограмму для определения максимальных средних радиальных отклонений монолитной бетонной крепи ствола в зависимости от его диаметра и глубины в результате анализа дополнительных данных – по 110 стволам украинского Донбасса.

В этом случае значения коэффициента концентрации напряжений k_т будут еще более приближены к реальным условиям проходки стволов в украинском Донбассе.

6 ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты должны состоять в успешном решении сформулированных выше задач исследований, что обеспечит достижение поставленной в данной работе цели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы.

В 1-й главе будет произведен более детальный по сравнению с п.4 настоящего реферата анализ литературных источников по теме данной работы.

Во 2-й главе с использованием методов математической статистики будут установлены величины отклонений формы поперечного сечения вертикальных шахтных стволов от проектной (круглой) в зависимости от их диаметра и глубины с использованием фактических данных по 110 стволам украинского Донбасса.

В 3-й главе с использованием конечно-элементных моделей будут установлены особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) системы «бетонная крепь ствола – массив пород» с учетом технологических погрешностей при креплении ствола бетонами различного класса и возраста в разнообразных горно-технологических условиях проходки.

В 4-й главе на основании проведенных исследований будут предложены рекомендации по определению оптимальной толщины бетонной крепи ствола в зависимости от его глубины, диаметра; параметров вмещающих пород и физико-механических характеристик бетона.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

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.
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.
Миндели Э.О., Тюркян Р.А. Сооружение и углубка вертикальных стволов шахт. М.: Недра, 1982. – 312 с.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.