Исследование влияния температурных колебаний на состояние жесткой армировки воздухоподающих стволов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

----------------------------------- © Страданченко С.Г., А.Ю. Прокопов,

А.А. Богомазов, 2009

УДК. 622.413

Страданченко С.Г., А.Ю. Прокопов, А.А. Богомазов

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЛЕБАНИЙ НА СОСТОЯНИЕ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ

Выполнено исследование влияния температурных колебаний и состояние жесткой армировки воздухоподающих стволов.

Ключевые слова: вечная мерзлота, температурный режим, армировка, воздухопо-

дающие стволы.

S.G. Stradanchenko, A.J. Prokopov,

A.A. Bogomazov

RESEARCH OF TEMPERATURE FLUCTUATIONS INFLUENCE ON THE CONDITION OF RIGID AIR FEEDING MINE SHAFT EQUIPMENT

It is executed the research of influence of temperature fluctuations and condition of rigid air feeding mine shaft equipment.

Key words: permafrost, temperature mode, reinforcement, air feeding mine shafts.

Гепловой режим вертикальных воздухоподающих стволов оказывает существенное влияние на состояние крепи и армировки, особенно в зимний период, и во многом определяет безопасность работы всего подъемного комплекса.

Согласно Правилам Безопасности [1, §27], стволы и штольни с поступающей струей воздуха должны иметь калориферные устройства, обеспечивающие поддержание температуры воздуха не менее +2°С в 5 м от сопряжения канала калорифера со стволом (штольней). Исключение составляют шахты, расположенные в зонах вечной мерзлоты, для которых устанавливается индивидуальный тепловой режим в каждом конкретном случае.

Семинар № 4

Однако, на шахтах Российского, Украинского Донбасса и других угольных бассейнов, не расположенных в зонах вечной мерзлоты, в зимний период из-за нарушений работы калориферов встречаются случаи несоблюдения температурного режима, в результате чего в стволах наблюдаются отрицательные температуры, достигающие -6°С и более [2,3]. Так, например, известны случаи обмерзания вспомогательных (клетевых) и воздухоподающих стволов до глубины 300-400 м (ГХК «Луганск-уголь», ш. им. Артема - вспомогательный ствол, ш. «Ломоватская» - клетевой ствол; ПО «Артемуголь», ш. им. Румянцева - ствол №3; ГХК «Макеевуголь», ш. «Красногвардейская» - клетевой ствол; ПО «Красноармейскуголь», ш. им. Стаханова - ствол №4) [4]. Аналогичные нарушения наблюдались зимой 1995-96 гг. во вспомогательном стволе шахты им. М.П. Чиха и стволах шахты «Майская» (Российский Донбасс), где обмерзание крепи происходило до глубины 200 м.

Поверхность обмерзающей крепи интенсивно разрушается вследствие увеличения объема воды, замерзающей в породах крепи. Многократное обмерзание и оттаивание приводит к разделе-

Экстремальные температуры воздуха, зафиксированные в воздухоподающих и вспомогательных стволах Донбасса

Характеристика Значения показателя, °С, на глубине

0 м 20 м 100 м 350 м 700 м

Зафиксированный минимум температур1, °С -14 -6,2 -3,6 0 4,5

Зафиксированный максимум температур2, °С 36 25,5 24,2 23,5 25,1

Амплитуда, °С 50 31,7 27,8 23,5 20,6

Примечания. 1 - аварийный тепловой режим, обмерзание ствола до глубины 350 м.

2 - замеры произведены в августе 2006 г. в период аномальной жары (до +40,1°С), установившейся в Донбассе.

нию растворной и щебеночной составляющих бетона и к постепенному осыпанию и утонению крепи (ш. им. Засядько - клетевой ствол №3; ГХК «Ли-сичанскуголь», ш. «Новодружеская» -вспомогательный ствол №2) [4]. Очистка льда для сохранения зазоров между подъемными сосудами и крепью также приводит к нарушениям крепи, особенно кирпичной. Кроме того, вследствие падения льда происходит повреждение армировки на нижележащих ярусах.

Наличие отрицательных температур в стволе негативно сказывается на узлах крепления расстрелов вследствие замерзания и расширения воды в порах и трещинах материала заделки, а также из-за различия температурных коэффициентов линейного расширения бетона (4-10-6 К-1) и стали (1,2 10-5 К-1).

а

і

с

5

Ї

[ у = -0.00С Ох* + 0,0301 х2 Я2 = 0.» - 1,3918х ♦ 5С 948 .254

л 107х +27,637 = 0.9608

V4- Я*

у = -0,0001 х3 ♦ 0,0189х2 Я2 = 0.9» 0,8584х + 31, 9 21 У -0.0094х ♦ 1 Я2 = 0,9608 .167

Как показывают результаты погодных наблюдений [5], Донбасс характеризуется существенными колебаниями температуры воздуха в течение года. Сезонная амплитуда температур в некоторые годы достигала 64-69°С (1995, 2003, 2006 гг.), что существенно сказывалось на тепловом режиме воздухоподающих стволов, надежности работы калориферов и всего подъемностволового комплекса. В таблице приведены значения зафиксированных минимумов (замеры производились в январе, в том числе и при нарушениях теплового режима) и максимумов (в июле, августе) температур, которые встретились при наблюдении за температурным режимом в стволах Донбасса в период 1995-2006 гг.

Как следует из таблицы, экстремальные температурные колебания существенно превосходят средние [2, 3], поэтому темпе-

200 300 400

Глубина ствола, м

ратурные нагрузки на конст-

Рис. 1. Графики зависимости амплитуд среднемесячных АТр и экстремальных ЛТэ температур от глубины ствола Н

Рис. 2. Графики зависимости абсолютного удлинения расстрелов от амплитуды колебаний температуры конструкций

рукции армировки должны учитывать возможность возникновения подобных аномальных тепловых режимов.

Произведем сравнение и найдем зависимости амплитуд средних и экстремальных температур от глубины ствола (рис. 1).

Исследования показывают, что амплитуды колебаний температуры (как средних значений, так и экстремальных) резко и нелинейно снижаются на первых 50 м от устья ствола, после чего снижение становится более медленным и линейным. В общем виде зависимости ДГср = f(H) и ДТэ = fH) могут быть выражены в виде сплайн-функций, состоящих из полинома 3-го порядка (на отрезке 0-50 м) и линейной функции (в интервале свыше 50 м):

- для амплитуд, рассчитанных по среднемесячным температурам

Амплитуда колебаний температуры, град

61 —1=71 —1 =

-1 = 91 |

AT =

ср

(1)

-1-10-4 Н3 +1,9-10-2 Н2 -

- 0,858Н + 31,12, V Н е[0,50}

- 9,4 -10 -3 Н +

+17,17, V Н е (50, 1000).

- для амплитуд, рассчитанных по экстремальным (пиковым) температурам:

- 2-10 -4 Н3 + 3-10 -2 Н2 -

-1,392Н + 50,25, V Н е [0,50]; т

2 тт , (2)

АТэ =

-1,07 -10 -2 Н +

+ 27,6, V Н е (50, 1000).

Полученные зависимости с высокой степенью точности отражают результаты исследований, коэффициент корреляции для уравнений (1) и (2) находится в пределах R2 = 0,96 - 0,99.

Согласно закону линейного расширения, при повышении температуры длина твердых тел возрастает в первом приближении линейно с температурой:

I = 10 (1 + а ^,

где l - длина тела при температуре t, м; 4 - его длина при температуре t0 = 0°С, а -

Рис. 3. Графики зависимости абсолютного удлинения проводников от амплитуды колебаний температуры конструкций

1

2

3

4

5

6

Проектная длина расстрела, м

Рис. 4. Номограмма для определения удлинения расстрела в зависимости от глубины ствола и проектной длины расстрела

(рис.

Удлинвние расстрела, им Глубина ствола, м

температурный коэффициент линейного расширения, для стали а = 1,2 10-5 1/°С. Для твердых изотропных тел а = ь/3, где Ь - температурный коэффициент объемного расширения, 1/°С.

Исследуем, как влияет амплитуда колебаний в стволах на изменение длины элементов армировки. Для этого построим графики зависимости удлинения расстрелов и проводников от амплитуды температурных колебаний и начальной длины элементов армировки (рис. 2 и 3).

На основании графиков (рис 2 и 3) и данных об изменении средних и экстремальных температур и их амплитуд в течение года на разных глубинах (таблица и результаты исследований [2, 3]) построим номограммы для определения максимальных удлинений элементов армировки (равных необходимым температурным зазорам) в зависимости от глубины ствола и длины расстрелов (рис. 4) или

профиля проводника

5).

При определении величины температурного зазора между проводниками или величины удлинения и необходимой податливости расстрела важно знать не среднемесячные значения температуры и их амплитуды в течение года, а максимальные колебания температуры в течение года на разных глубинах, равные абсолютной разности между наблюдаемыми в течение года максимальным и минимальным пиками температур на соответствующих глубинах. Значения таких «экстремальных» температур, в том числе возникающих вследствие нарушения работы калориферов, приведены в таблице.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы:

1. При возникновении аварий в работе калориферов нарушается тепловой режим, при этом в стволах наблюдаются отрицательные температуры (от -14°С на нулевой раме до 0°С на глубине 350400 м). В этих случаях зафиксировано обледенение крепи стволов до глубины 200 м (в Российском Донбассе) и до 400 м (в Украинском Донбассе).

Рис. 5. Номограмма для определения удлинения проводников в зависимости от глубины ствола и профиля проводника

Удлинение проводника, мм

Глубина ствола, м

Среднегодо-

вая

2. Амплитуды сезонных колебаний температуры (как средних значений ДТср, так и экстремальных ДТэ) резко и нелинейно снижаются на первых 50 м от устья ствола, после чего снижение становится более медленным и линейным. В общем виде зависимости ДТср = /(И) и ДТэ = /(И) могут быть выражены в виде сплайн-функций, состоящих из полинома 3-го порядка (на отрезке 0 -50 м) и линейной функции (в интервале свыше 50 м).

3. На жесткую армировку воздухоподающих стволов оказывают вли-

1. Правила безопасности в угольных шахтах. - Самара: Самарск. дом печати, 1995. - 242 с.

2. Вяльцев М.М. Прогноз и регулирование термонапряженного состояния горных выработок. - М.: Недра, 1988. - 200 с.

3. Богомазов А.А. Исследование температурного режима вертикальных стволов Донбасса и его влияния на жесткую арми-ровку// Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строитель-

яние сезонные перепады температур, которые вызывают изменение длины расстрелов и проводников. Удлинение (укорочение) расстрелов при экстремальных температурных перепадах может достигать 5,5 мм, а проводников - 7,5 мм и определяться по номограмме в зависимости от глубины ствола и проектной длины расстрела (типа профиля) проводника.

4. Величиной возможного изменения длины элементов армировки определяется необходимый температурный зазор на стыках проводников или дополнительная величина податливости расстрелов.

--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ства: сб. науч. тр. - Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ(НПИ), 2006. - С. 256 -269.

4. Гамаюнов В.В., Будник А.В. Основные виды и причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт// Технология и проектирование подземного строительства: Вестник. - Донецк: Норд-Пресс, 2003. - С. 91 - 97.

5. Архив погодных условий. -http://meteo.infospace.rii Ш

- Коротко об авторах

Страданченко С.Г. - доктор технических наук, профессор, директор Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета, зав. кафедрой «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия.

Прокопов А.Ю. - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной и научной деятельности, доцент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы», г. Шахты, Россия, prokopov72@rambler.ru. Богомазов А.А. - ассистент кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) г. Шахты, Россия, 8Іш^1и@ siurgtu.ru