Анализ развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

© Ф.И. Ягодкин, А.Ю. Прокопов, М. А. Мирошниченко, 2004

УДК 622.258.3

Ф.И. Ягодкин, А.Ю. Прокопов, М.А. Мирошниченко

АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Семинар № 14

А рмировка вертикальных стволов слу-

./л. жит для обеспечения направления движения подъемных сосудов при заданных режимах работы подъемной установки. Разработанные в различные годы прошлого столетия проекты жесткой армировки отвечали соответствующему уровню развития горнодобывающих предприятий.

Так, широко применявшаяся до 60-х годов XX века конструкции и схемы жесткой армировки с расстрелами из проката двутаврового профиля и рельсовых или деревянных проводников вполне удовлетворяли типичным для того времени условиям: в основном неглубоких шахт малой мощности с подъемными установками с полезной грузоподъемностью 8-10 т и скоростью движения подъемных сосудов 5-6 м/с (таблица, а, б).

С ростом глубины разработки полезных ископаемых и строительством крупных по мощности шахт возникла необходимость увеличения производительности подъемных установок. Так уже в конце 60-х годов грузоподъемность подъемных сосудов возросла до 20-35 т, а скорость подъема увеличилась до 10-12 м/с. Средняя глубина разработки в Донецком бассейне превысила 600 м, а добыча угля свыше этой глубины достигала 50 % от общего объема. Проектирование и строительство шахтных стволов глубиной до 1200 м, оборудованных многоканатными подъемными установками большой грузоподъемности, становится обычным техническим решением.

Попытка реализации таких высоких скоростей и концевых нагрузок за счет только увеличения металлоемкости конструкций армировки оказалась нереальной.

Сохранение старых принципиальных решений в новых условиях привело к несоответствию между армировкой и параметрами подъемных установок, благодаря чему стали на-

блюдаться сильные поперечные колебания, выход подъемных сосудов из проводников, разрушение заделки концов расстрелов в крепи и, как следствие, низкая работоспособность армировки и подъема в целом.

Работоспособность армировки действующих шахт наиболее полно характеризуется надежностью Р(1), которая является функцией времени эксплуатации и определяется как вероятность безаварийной работы армировки в течение данного периода эксплуатации.

Для определения состояния и надежности жесткой армировки в 1963 г. ВНИИОМШС были проведены обследования армировки в 63х стволах действующих шахт. В результате анализа полученных фактических данных были сделаны следующие практические выводы:

- средний срок службы элементов армировки Т0 = а/Х для расстрелов составляет 10 лет, для проводников 5 лет;

- среднее число замен элементов армировки за время эксплуатации Г для расстрелов Н(Г) = 0,1Г, для проводников Н(Г) = 0,2Г;

- состояние армировки действующих стволов шахт весьма неудовлетворительно в первую очередь в результате малых сроков службы ее отдельных элементов в связи с коррозионным, механическим износом и усталостью металла.

Теоретические исследования причин аварийного состояния армировки показали, что динамическая система «подъемный сосуд - ар-мировка» при определенных критических состояниях скоростей подъема может работать в резонансных режимах. Вследствие этого в практике проектирования, строительства и эксплуатации возникли следующие проблемы:

№ схемы Схема армировки Характеристика армировки

а) Ш 11 \\rhJ Жесткая армировка клетевого ствола. Типовое решение. 1960 г.

б) Жесткая армировка скипового ствола. Типовое решение. 1960 г.

е) Консольная схема армировки ствола шахты «Южная» ПО «Северокузбассуголь», 1964 г.

г) Комбинированная армировка клетевого ствола. Типовые решения «Южгипрошахт»

д) Комбинированная армировка скипового ствола. Типовые решения «Южгипрошахт»

е) і 3 \ Д4.— X Консольно-рапорная армировка Северного вентиляционного ствола №2 Запорожского железорудного комбината.

ж) >д~ ( ГЧН \ ІШІ * І 1 Блочная армировка клетевого ствола с П-образными расстрелами

3) ІІІІ Блочная армировка скипового ствола с У-образными расстрелами

- возросла реальная вероятность возникновения аварийных ситуаций с тяжелыми последствиями из-за выхода подъемных сосудов из проводников и зацепления ими за расстрелы и инженерные коммуникации;

- сократился срок службы элементов армировки из-за интенсивного истирания проводников, накопления усталостных напряжений и коррозионного износа;

- увеличилась стоимость эксплуатации стволов вследствие большой трудоемкости регулярных осмотров и ремонтов узлов крепления армировки на выполнение которых затрачивалось более 6 час. в сутки;

- возросло в два и более раза аэродинамическое сопротивление стволов в связи с загруженностью сечения ствола в свету элементами армировки, их недостаточной обтекаемостью, увеличением глубины стволов и расхода воздуха;

- в 1,3-1,5 увеличился расход металла и в 1,5-2 раза капитальные затраты на 1 м армировки ствола;

- увеличилась трудоемкость работ до 1520% от общих объемов работ по сооружению ствола с сохранением большого объема ручного труда;

- на 25-40 % возросла продолжительность армирования стволов в связи с утяжелением и усложнением конструкции армировки, повышением требований к точности ее монтажа, сохранения большого объема ручного труда и увеличения сроков переоснащения ствола от проходки к армированию.

Указанные выше недостатки могли быть устранены только в результате принципиально новых конструктивных изменений жесткой армировки.

Исходя из этой посылки, была разработана программа совершенствования жесткой армировки, которая включала три основные направления:

1. Создание научно-обоснованных методических основ расчета.

2. Совершенствование и типизация схем и конструктивных узлов.

3. Разработка принципиально новых схем и конструкций.

Общим для этих направлений являлось стремление обеспечить безаварийную работу и максимальный срок службы подъемных сосудов, их узлов, подъемных канатов и армировки, минимальное аэродинамическое сопротивление ствола и минимальные эксплуатационные

затраты на ремонт и поддержание армировки и ствола в целом.

К первому направлению следует отнести работы по исследованию устойчивости движения подъемных сосудов и созданию теоретических основ расчета рациональных параметров системы «сосуд-армировка» по предельным состояниям [1, 2].

Ко второму направлению относятся работы по созданию новых профилей проката для армировки, отличающихся повышенной жесткостью, удобообтекаемыми формами и экономичностью, методов снижения аэродинамического сопротивления расстрелов путем установки на них обтекателей, конструированию работоспособных роликовых направляющих для подъемных сосудов и совершенствованию схем армировки [3].

Практической реализацией первого и второго направлений явилась разработка научно обоснованной методики расчета жесткой армировки нового типового проекта армировки стволов [2, 4].

Этим проектом для главных элементов армировки в стволах с подъемными установками большой и средней интенсивности были приняты сварные коробчатые профили и малорасстрельные схемы армировки (таблица, б, в).

Внедрение коробчатых профилей и роликовых направляющих, кроме увеличения интенсивности работы подъемных установок, обеспечило плавное движение подъемных сосудов, благодаря чему уменьшились затраты на ремонт армировки, а применение малорасстрельных схем привело к существенному снижению аэродинамического сопротивления стволов.

К третьему направлению относится разработка принципиально новых безрасстрельных консольных, консольно-распор-ных и блочных схем армировки.

Впервые консольная схема армировки была успешно применена в клетевом стволе шахты «Южная» ПО «Северокузбасуголь», которая безаварийно эксплуатировалась в течении 30 лет (таблица, в).

Примером схемы армировки с комбинацией расстрелов и консолей является типовое решение сечения скипового ствола разработанное «Южгипрошахт» (таблица, г, <3).

Дальнейшим развитием консольной армировки следует рассматривать консольнораспорные схемы, в которых динамические нагрузки от подъемных сосудов передаются не только на консоль, но и на систему горизонталь-

ных распорных балок. Благодаря этому такая конструкция по сравнению с обычной консольной обладает в горизонтальной плоскости большею жесткостью (таблица, е).

К основному недостатку консольно-

распорной армировки следует отнести низкую несущую способность в вертикальной плоскости, что ограничивает область ее применения.

В целях устранения этого недостатка предложена замена плоской конструкции яруса армировки пространственной объемной, в том числе блочной, имеющей высокие прочностные и деформационные параметры (таблица, ж, з). Предполагалось, что кроме высоких прочностных характеристик объемные конструкции позволят производить крупноблочный монтаж армировки и тем самым сократить капитальные и эксплуатационные затраты.

Учитывая особенности работы безрас-стрельных армировок (консольных, консольнораспорных, блочных) и актуальность их внедрения был выполнен ряд теоретических работ, посвященных созданию научно-методических основ проектирования [5, 6, 7, 8].

Вместе с тем многие задачи, поставленные программой совершенствования жесткой армировки, разработанной еще в семидесятые годы прошлого столетия, остаются полностью или частично нереализованными и не потеряли

1. Баклашов И.В. Расчет армировки вертикальных стволов шахт по предельным состояниям. М.Недра, -1968, -с.135.

2. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт. ВНИИГМ им .М.М. Федорова, Донецк, -1985, -с.160.

3. Доржинкевич И.Б. Совершенствование армировки глубоких стволов. М.Недра, -1970, -с.211.

4. Типовые материалы для проектирования 401-01187-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками. Южгипрошахт, -1989.

5. Ягодкин Ф.И. Научно-методические основы проектирования ресурсосберегающей технологии строи-

свою актуальность в настоящее время. К ним следует, прежде всего, отнести:

- разработку научно-обоснованной методики проектирования пространственных конструкций армировки и технологию их крупноблочного монтажа;

- переход на переменный шаг армировки, который позволил бы нарушить периодичность поперечной жесткости армировки, снизить уровень параметрического возбуждения и тем самым перейти на более высокие скорости подъема и концевые нагрузки;

- разработку и внедрение в практику системы проводников с дополнительной ветвью, обеспечивающей постоянную жесткость по глубине ствола.

Резюмируя изложенное следует обратить внимание на логическую последовательность развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов вследствие роста интенсивности работы шахтных подъемов, накопления опыта и теоретических знаний, от простых стержневых систем из металлических и деревянных элементов к сварным коробчатым профилям, консольным и консольно-распорным плоским и объемным, крупноблочным и пространственным конструкциям.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

тельства глубоких вертикальных стволов. Дисс. ... д-ра техн. наук. ДГИ, 1990. - 260 с.

6. Левит В.В. Разработки и обоснование технологии и параметров армирования вертикальных стволов с применением расстрелов на анкерах. Дисс. канд. техн. наук. ДГИ, 1993, -165с.

7. Прокопов А.Ю. Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки. Дисс. канд. техн. наук. НГТУ, -130 с.

8. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов на участках деформирующегося породного массива. Дисс. канд. техн. наук. НГТУ, 1998, -102 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------------------

Ягодкин Феликс Игнатьевич - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», директор ООО «НТЦ «Наука и практика»,

Прокопов Альберт Юрьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт»,

Мирошниченко Михаил Анатольевич - аспирант кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Шахтинский институт - филиал Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института).

© М. С. Плешко, 2004