CC BY
12
УДК 622.257.5
А.А.УРМАЗОВ
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ БЕЗРАССТРЕЛЬНОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
Рассматривается компьютерное моделирование жестких армировок вертикальных стволов различной конструкции. Построены конечно-элементные модели типовых много-расстрельных армировок (на примере типовой схемы Южгипрошахта К-2), консольных схем, консольно-распорных и блочных схем армировки. Установлено, что безрасстрельные схемы армировки при значительном сокращении металлоемкости конструкции обеспечивают такую же или большую жесткость, чем типовые схемы. Определяются области применения и рациональные параметры безрасстрельных схем армировки, применяемых в клетевых и скиповых стволах с различной интенсивностью подъема.
The article studies computer modelling of hard reinforcement in vertical shafts of various constructions. End-element models of typical multi-braced reinforcement (on the example of the typical K-2 scheme by the Juzhhyproshakht design institute), console schemes, console-spacer and block schemes of reinforcement are built. As the result of the studies it was determined that non-braced schemes of reinforcement with considerable reduction of metallic components provide with the same and even higher hardness than the typical designs. Areas of application and rational parameters of non-braced schemes of reinforcement used in cage and skip shafts with different intensity of hoisting are determined.
В настоящее время при строительстве вертикальных стволов наибольшее распространение получила жесткая многорас-стрельная армировка, которая в ряде случаев не соответствует современному уровню технологии строительства и эксплуатации шахт, поскольку обладает рядом существенных недостатков, к основным из которых относятся:
• большая трудоемкость изготовления, монтажа и антикоррозионной защиты;
• высокая металлоемкость (50-200 т на 100 м ствола);
• многодетальность (более 20 позиций монтажных элементов в одном ярусе);
• большое аэродинамическое сопротивление (30-50 % сопротивления всей сети);
• переменная податливость элементов по глубине.
Это приводит к тому, что при трудоемкости армирования в 6-10 раз меньшей, чем остальное сооружение ствола, затраты времени
на армирование занимают иногда до 20 % от продолжительности строительства [1].
Одним из направлений усовершенствования схем и конструкций армировки с целью устранения указанных недостатков является создание безрасстрельных схем [4].
Для анализа эффективности применения существующих схем была построена и исследована конечно-элементная модель типовой армировки. В качестве исходной была принята схема К-2 из типового ряда сечений вертикальных стволов, разработанного Южгипрошахтом [3] (рис.1, а).
На модели (рис.1, б), включающей пять связанных между собой ярусов армировки, рассматривается нагружение среднего (третьего) яруса в момент передачи на него силовых воздействий от движущегося подъемного сосуда, кроме того, к модели приложена нагрузка от собственного веса арми-ровки. В результате моделирования с помощью программно-вычислительного ком-
Рис.1. Типовая армировка: а - поперечное сечение ствола; б - конечно-элементная модель
б
Рис.2. Консольная армировка: а - поперечное сечение ствола; б - конечно-элементная модель
плекса «Лира-Wmdows 8.0», реализующего метод конечных элементов, был произведен расчет смещений узлов, силовых факторов и напряжений в элементах и опорных реакций, возникающих под воздействием реальных нагрузок на армировку.
Для сравнения с типовой схемой и оценки жесткости безрасстрельных армиро-вок были разработаны пространственные конечно-элементные модели консольной (рис.2), консольно-распорной (рис.3) и блочной П-образной армировки (рис.4).
В настоящее время наметилась тенденция к увеличению массы и скоростей подъемных сосудов. В связи с этим увеличиваются интенсивность подъема и действующие на армировку боковые и лобовые нагрузки [2]. Кроме того, при больших скоростях движения сосудов в результате отклонения проводников от вертикального положения и неточности стыков проводников увеличивается вертикальная составляющая нагрузки на армировку, которая при малой и средней интенсивностях подъема не учиты-
б
262 -
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.167. Часть 2
Рис.3. Консольная армировка: а - поперечное сечение ствола; б - конечно-элементная модель (нагрузка от собственного веса не показана)
Рис.4. П-образная блочная армировка: а - поперечное сечение ствола; б - конечно-элементная модель
вается. Это приводит к необходимости проектирования армировок с распором не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Это требование обеспечивается применением блочных армировок П-образ-ной или других форм.
Графическая интерпретация результатов расчета П-образной армировки приведена на рис.5.
Сравнение рассмотренных типовых и безрасстрельных схем армировки позволяет сделать следующие выводы:
• типовые многорасстрельные арми-ровки с центральными или хордальными расстрелами имеют неоправданно завышенную металлоемкость, которая не всегда обеспечивает требуемую жесткость и несущую способность вследствие большой длины балок и возникающих вследствие этого высоких изгибающих моментов;
• конструкции, используемые для безрасстрельных схем, позволяют снизить металлоемкость конструкции: для консольных схем - на 16 %, для консольно-распорных -
б
l\ IN- /
Г^ \ и
Ч
Рис.5. Графическая интерпретация результатов расчета П-образной блочной армировки: а - совмещенные исходная и деформированная схема; б - эпюра моментов Му; в - эпюра моментов Мz
(аксонометрия); г - эпюра моментов Мz (план)
на 5 % (применительно к схеме К-2), при этом увеличить жесткость армировки и снизить величину изгибающих моментов, а следовательно и напряжений в конструкции, для проводников - на 20 %, для расстрелов - на 45 %;
• для более металлоемких типовых схем (К-3, К-4, К-5 и др.) снижение металлоемкости в результате внедрения безрас-стрельных схем будет более существенным и составит: для консольных схем 27-37 %, для консольно-распорных - 21-31 % при сохранении или улучшении жесткостных характеристик армировки;
• применение консольных армировок ограничивается максимальной длиной консоли, которая может составлять 800-2200 мм (в зависимости от шага армировки) при невысокой интенсивности подъема (до 1,5 МДж) и 400-600 мм при интенсивности до 5 МДж;
• консольно-распорные конструкции ар-мировки, отличающиеся значительно большей жесткостью в горизонтальной плоскости, могут использоваться в клетевых стволах с высокой интенсивностью подъема (5-10 МДж);
• П-образные консольно-распорные и блочные армировки (с вертикальными распорами) имеют перспективу применения в скиповых стволах, которые будут оснащаться большегрузными скипами (массой свыше 50 т) и рассчитываться на скорость движения 16 м/с (и выше), т.е. при интенсивности подъема 10-40 МДж.
ЛИТЕРАТУРА
1. Прокопов А.Ю. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов/ А.Ю.Прокопов, С.Г.Страданченко, М.С.Плешко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион, 2005. 216 с.
2. Прокопов А.Ю. Современные требования к проектированию и направления совершенствования арми-ровок шахтных стволов / Материалы международной научно-практической конференции «Уголь - Mining Technologies 2003», посвященной 60-летию ГОАО «Лу-ганскгипрошахт». ДГМИ, Алчевск, 2003. С.140-148.
3. Типовые материалы для проектирования 401011-87-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками / Южгипрошахт. Харьков, 1989.
4. Ягодкин Ф.И. Анализ развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов / Ф.И.Ягодкин, А.Ю.Прокопов, М.А.Мирошниченко // Горный информационно-аналитический бюллетень. № 10. М.: Изд-во МГГУ, 2004. С.235-238.
Научный руководитель к.т.н. доц. А.Ю.Прокопов
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.167. Часть 2
б
г
в
а
