ДонНТУ   Портал магистров  Институт горного дела и геологии

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Шахтные стволы являются важнейшими выработками горнодобывающего предприятия, которые обеспечивают непрерывную транспортировку полезного ископаемого, грузов, оборудования, материалов, спуска-подъема людей. Все конструктивные элементы стволов должны обладать высокой надежностью и обладать высоким сроком безремонтной эксплуатации. Своевременное и качественное сооружение вертикальных шахтных стволов имеет определяющее значение для успешного развития, поддержания и реконструкции мощностей горно-добывающей промышленности, особенно в Донбассе, где постоянно увеличивается глубина разработки угольных пластов. В бассейне на долю стволов приходится 20–25 % стоимости и 35–50 % продолжительности строительства шахт [1]. Согласно исследованиям, более 75 % нарушений крепи вертикальных стволов в Донбассе приходится на районы сопряжений. Основными видами повреждений и разрушений являются скалывание, вывалы крепи и пород, отслоение, трещины крепи, деформации арматурных элементов, изгибы расстрелов и проводников. При этом увеличивается время простоя шахтного ствола по причине ремонтных работ, что негативным образом сказывается на технико-экономических показателях работы горного предприятия.

1. Актуальность темы

Особое место в комплексе строительства вертикальных стволов шахт занимает сооружение сопряжений. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что, несмотря на определенные технические достижения в этом вопросе, крепление сопряжений стволов остается материалоемким, малопроизводительным и имеет значительную стоимость. Нарушения крепи вертикальных стволов в районе сопряжений приводят к ее вывалам, отклонению от проектного положения ярусов армировки, изменению геометрии контура ствола, смещению проводников, что в свою очередь нарушает ритмичность работы подъема, а в некоторых случаях приводят к полному выходу его из строя [2].

2. Цель и задачи исследования

Целью магистерской работы является обоснование параметров сооружения сопряжения глубоких вертикальных стволов с приствольными выработками с целью увеличения срока их безремонтной эксплуатации, повышения устойчивости ствола, скорости, технологичности и эффективности проходки.

Основные задачи исследования:

Объект исследования: сопряжение глубоких вертикальных стволов с околоствольным двором.

Предмет исследования: конструкция крепи, применяемая при сооружении сопряжений.

Методы исследования: математическая и статистическая обработка результатов экспериментальных и лабораторных исследований, а также данных, полученных в процессе эксплуатации сопряжений; построение модели с помощью метода конечных элементов; метод инженерного анализа.

Идея работы заключается в увеличении срока безремонтной эксплуатации сопряжения вертикального ствола, уменьшение проявлений горного давления в районе сопряжения.

Научная новизна

В ходе проведения исследований установлена такая научная новизна:

Научное значение

Научное значение работы состоит в определении зависимости распространения нарушений сопряжений вертикальных стволов с горизонтальными выработками, которые реализованы в виде формул и графиков; в обосновании параметров и регламентов анкерно-бетонной крепи указанных участков на основании полученных зависимостей.

Практическое значение

Увеличение надёжности сопряжений и повышение прочности крепи на указанном участке, что приводит к увеличению срока безремонтной эксплуатации вертикального ствола шахты.

3. Основные положения

Вертикальные стволы в Донбассе в настоящее время сооружаются и эксплуатируются в самых разнообразных горно- и гидрогеологических условиях, усложняющихся с увеличением глубины разработки месторождений полезных ископаемых. Отличаясь своей уникальностью и важностью в производственном комплексе горнодобывающего предприятия, они требуют постоянного поиска и разработки эффективных решений по интенсификации их строительства и безремонтной эксплуатации, что, в свою очередь, является актуальной научно-технической проблемой развития угольной промышленности Украины. Особенно важны вопросы, касающиеся причин возникновения нарушений крепи вертикальных стволов шахт. Глубина разработки большинства шахт Украины достигает 700 м, но максимальная глубина разработки составляет 1400–1500 м, что обуславливает повышенные требования к надёжности и прочности бетонной крепи вертикальных стволов [3, 4].

Для крепления стволов, проходимых буровзрывным способом, применяют в основном монолитную бетонную крепь. Применение данной крепи, возводимой с помощью инвентарных забойных металлических опалубок, обусловило переход к совмещённой технологической схеме [5] с подачей быстротвердеющей бетонной смеси за опалубку по трубам. Вид крепи и технологическая схема работ существенно влияют на безопасность труда проходчиков, которая в первую очередь обуславливается устойчивостью обнажённых породных стенок до возведения постоянной крепи. Наиболее безопасные условия создаются при креплении ствола монолитным бетоном при совмещённой схеме работ [5], где высота обнажения породных стенок зависит от высоты забойной опалубки и времени, отведенного в цикле на погрузку горной массы.

Одними из наиболее важных и технически сложных (по причине большой площади сечения) сооружений шахты являются сопряжения вертикальных стволов с околоствольным двором. Это обусловлено тем, что срок службы ствола, а соответственно и сопряжений, равен сроку службы всей разведочной шахты или отдельного ее горизонта. От надежности эксплуатации этих сопряжений зависит нормальное функционирование всей шахты, что и предопределяет повышенные требования к крепи сопряжений. Она должна быть предельно надежной и проектироваться из материалов с повышенныим огнестойкостью и способностью противостоять коррозии. Чаще всего крепь сопряжений возводят из монолитного бетона.

В различных источниках под сопряжением горных выработок понимают зону взаимного влияния двух и большего числа пересекающихся выработок, в которой происходит взаимное наложение зон разгрузки в кровле и зон бокового опорного давления . В результате наложения этих зон крепь может испытывать повышенное горное давление. В связи с этим, возникает необходимость применения мер по увеличению прочности крепи (повышение несущей способности элементов крепи, уменьшение шага установки крепи и др.), для увеличения срока её эксплуатации. Количество сопряжений горизонтальных и наклонных выработок на угольной шахте составляет всего 6–7 % общего объема горных работ. Однако проходка их технологически сложная, требует больших трудозатрат и занимает много времени. Это обусловлено значительными пролётами (до 10–12 м) и большими обнажениями кровли, а также сложной конструкцией и конфигурацией крепи сопряжения.

Виды сопряжений горных выработок шахты можно разделить на три группы, которые различают по особенностям технологических операций и условиям заложения.

К первой группе относятся сопряжения, которые располагаются в пределах околоствольного двора, выработки которого при проведении стараются заложить в крепких устойчивых породах. Срок службы сопряжений равен сроку службы шахты, блока.

Ко второй группе относят сопряжения, которые располагаются на протяженных горизонтальных выработках, охраняемых угольными целиками шириной 50–70 м. В этом случае, срок службы сопряжения находится в пределах от срока службы шахты до срока службы панели, крыла.

В третьей группе находятся сопряжения, расположенные на наклонных выработках, охрана которых осуществляется угольными целиками шириной 10–70 м. Для сооружения сопряжений этой группы применяются различные виды материалов и конструкций. Срок их службы колеблется от срока службы участка до срока службы бремсбергового либо уклонного полей [6].

Вид постоянной крепи сопряжения определяет вид крепи сопрягаемых выработок. В качестве постоянной крепи применяют монолитную бетонную и железобетонную, металлическую и металло-бетонную крепь, сборную железобетонную, каменную. Процесс послойной рассечки сопряжений зачастую приводит к значительному росту интенсивности напряжений в крепи ствола выше кровли приствольных выработок. Уже после реализации первой заходки интенсивность эквивалентных напряжений возрастает в два и более раз с последующим увеличением по параболической зависимости. Стабилизация напряжений происходит при удалении забоя сопряжения от стенки ствола на 7,5–8 м. На шахтах крепь сопряжений возводят со сводчатым или плоским перекрытием. Крепи с плоским перекрытием имеют преимущества по сравнению со сводчатыми по причине упрощенной конструкции и меньшего объёма вынимаемой при проходке породы, что позволяет уменьшить сроки строительства сопряжений. Однако такие крепи обладают меньшей несущей способностью и при больших пролётах требуют увеличения толщины перекрытия, что ведёт к удорожанию сооружения сопряжения. Необходимо расширять применение новых инновационных и нетрадиционных материалов и технологий, которые позволяют повышать механические свойства бетонной крепи, в том числе их гидроизолирующую способность. Крепь с плоским перекрытием наиболее часто применяют при трапециевидной или прямоугольной форме поперечного сечения сопрягающихся выработок и при ширине пролета сопряжений не более 4–5 м. При ширине же пролета более 5 м и в слабых породах в сопряжениях рекомендуют применять сводчатое перекрытие [6].

Проведенный анализ позволяет выделить ряд основных факторов, влияющих на распределение напряжений и деформаций в районе сопряжений:

По степени нагруженности и напряженно-деформированного состояния крепи сопряжения с горизонтальными выработками околоствольного двора выделяют четыре зоны:

Схема расположения характерных зон сопряжения

Рисунок 1 – Схема расположения характерных зон сопряжения: I – зона примыкания ствола к горизонтальной выработке; II – то же к почве выработки; III – зона наиболее ослабленного сечения сопряжения; IV – зона наиболее ослабленного сечения горизонтальной выработки.

Протяженность I и II зон принимается равной 5r0, где r0 – радиус ствола в свету. Поскольку радиус большинства стволов, находящихся в эксплуатации, составляет не более 4,2 м – протяженность I и II зон составляет 21 м [8].

При строительстве сопряжений в контактирующей крепи ствола возникают несколько характерных зон их влияния: участки выше и ниже выработок, стенки ствола между проемами сопряжений.

Зависимость коэффициента увеличения напряжений в крепи ствола над кровлей сопряжения

Рисунок 2 – Зависимость коэффициента увеличения напряжений в крепи ствола над кровлей сопряжения от отношения hсл/В
(анимация: 6 кадров, 5 циклов повторения, 41 килобайт)

На рис. 2 hсл – высота слоя, В – ширина приствольной выработки.

Из рис. 2 следует, что технологически оправданное уменьшение высоты слоев рассечки приствольных выработок позволяет обеспечить менее резкий процесс загрузки выше расположенной крепи ствола при проходке верхнего слоя сопряжения.

Заключение

В результате анализа литературных источников определены цель и задачи данной магистерской работы.В ходе исследования получены зависимости и результаты компьютерного моделирования геомеханических процессов в окрестности сопряжения вертикального ствола и околоствольного двора. Эти зависимости позволили сформулировать рекомендации по оптимальному выбору типа и материала крепи при сооружении сопряжений в различных горно-геологических условиях.

Список источников

  1. Тюркян Р.А. Научно-технические вопросы повышения эффективности сооружения вертикальных стволов (на примере ш. им. Засядько) / Р.А. Тюркян, В.В. Орел // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. Трудов. – Донецк: ООО «НОРДКомпьютер», 2002. – 60 с.
  2. Борщевский С.В. Оценка современной технологии сооружения сопряжений вертикальных стволов с околоствольными дворами. / С.В. Борщевский, А.А. Бородуля, А.Ж. Сирачев // Сборник трудов кафедры СШ и ПС, ДонНТУ 2004. – 256 с.
  3. Борщевский C.B. Физико-технические и организационные основы интенсивных технологий сооружения стволов в условиях повышенной водоносности породного массива / С.В. Борщевский // Автореф. дис. докт. техн. наук: Национальный горный университет. – Днепропетровск, 2008. – 31 с.
  4. Левит В.В. Геомеханические основы разработки и выбора комбинированных способов крепления вертикальных стволов в структурно неоднородных породах / В.В. Левит // Автореф., докт. техн. наук. Днепропетровск. 1999. – 36 с.
  5. Прокопова М.В. Факторы, влияющие на напряженно-деформированное состояние крепи вертикальных стволов / М.В. Прокопова, Р.В. Харитонов / Научно-технические проблемы разработки угольных месторождений, шахтного и подземного строительства: Сб. науч. тр. Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ). – Новочеркасск: УПЦ «Набола» ЮРГТУ (НПИ), 2005. – С. 116–118.
  6. Н.С. Булычёв, Х.И. Абрамсон. Крепь вертикальных стволов шахт. // Изд-во «Недра». Москва – 1978. – С. 13–22.
  7. Плешко М.С. Анализ факторов, влияющих на напряженно-деформированное состояние вмещающих пород и крепи сопряжений вертикальных стволов. / М.С. Плешко, В. Крошнев // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып 17, – Донецк: Норд – Пресс, 2011. – 285 с.
  8. Плешко М.С. Влияние технологии проходки на напряженно-деформированное состояние примыкающей к выработке крепи ствола. / М.С. Плешко, Е.Е. Головнева. // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений. Сб. научн. трудов. Вып 17, – Донецк: Норд – Пресс, 2011. – 285 с.