CC BY
30
© А.Ю. Прокопов, С.Д. Пшеничнов, А.Н. Новиков, 2007
УДК 622.258.3
А.Ю. Прокопов, С.А. Пшеничное, А.Н. Новиков
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИННОВАЦИОННЫХ СХЕМ И КОНСТРУКЦИЙ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
Семинар № 14
В настоящее время при строительстве вертикальных стволов наибольшее распространение получила жесткая многорасстрельная армировка, которая в ряде случаев не соответствуют 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 горных выработок приходится на стволы);
- 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 арми-ровки с целью устранения указанных недостатков является создание безрас-стрельных схем, отличающихся более
высокими технико-экономическими показателями. Применение в этих схемах консольных, консольно-распорных или блочных расстрелов позволяет увеличить жесткость армировки, сократить расход металла и трудоемкость работ, снизить аэродинамическое сопротивление ствола, а также создает возможность для спуска крупногабаритных грузов и ведения армирования в процессе проходки ствола [2].
Для анализа эффективности применения существующих схем была построена и исследована конечноэлементная 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 5 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 армировки.
В результате моделирования с помощью программно-вычислительного комплекса «Лира-Шт<1ош8 9.0», реализующего метод конечных элементов, был произведен расчет смещений узлов, силовых факторов и напряжений в элементах и опорных реакций,
а)
]? , р X” . ?1 X2
Х“ , ,12 ,1,16 , ?» X2
І7 , ,11 ,1,15 , 19 ,[?
X6 , ,1“ I14 18 X2
Iі , 2 3 4 >
б)
Рис. 1. Типовая схема армировки К-2: а - поперечное сечение ствола; элементная модель
- конечно-
9 13 17 21
8 12 16 20
И 15 19
6 10 14 18
1 2 3 4
23
22
Рис. 2. Результаты моделирования типовой схемы армировки: а - совмещенные исходная и деформированная схемы; б - эпюра моментов Му; в - эпюра моментов Мг
возникающих под воздействием реальных нагрузок на армировку. На рис. 2 показаны совмещенные исходная и деформированная схема (рис. 2, а), эпюры моментов My (рис. 2, б) и моментов Mz (рис. 2, в), возникающих в элементах армировки.
Для сравнения с типовой схемой и оценки жесткости безрасстрель-ных армировок и исследования возникающих под действием внешних нагрузок напряжений и деформаций элементов армировки были разработаны прос-транственные конечноэлементные модели консольной (рис. 3), консольно-распорной (рис. 4) и блочной П-образной армировки (рис. 5).
Расчеты параметров консольных армировок с расположением на консоли двух проводников свидетельствуют о том, что смещения отдельных узлов значительно превышают допустимые для рельсовых проводников (15 мм) даже при минимально возможной длине консоли, поэтому проектирование такой армировки нецелесообразно. Расположение на конце консоли одного проводника обеспечивает нормальную работоспособность конструкции при ограниченной длине консоли, которая составляет 800-2200 мм (в зависимости от шага армировки) при невысокой интенсивности подъема (до 1,5-106 Дж) и 400-600 мм - при интенсивности до 5-106 Дж.
Расчеты показали, что при проектировании консольно-распорных ар-миировок соответствующим выбором профилей консолей и проводников можно добиться необходимых жест-костных параметров, позволяющих обеспечить требуемый режим работы армировки даже при высокой интенсивности клетевого подъема (5^6-106 Дж), при этом на каждую консоль с распором может крепиться один или два проводника.
Для консольных армировок были определены максимально возможные длины консолей в зависимости от интенсивности подъема, типа проводников и шага армировки (табл. 1 и 2). При необходимости превышения
найденных значений длин одинарных консолей целесообразно проектировать консольно-распорные армировки, обеспечивающие безопасность клетевого подъема с высокой интенсивностью.
Для подъемов клетевых и скиповых стволов с интенсивностью более 5-106 Дж при использовании рельсовых проводников и более 1-107 при использовании коробчатых проводников целесообразно применение консольно-распорных армиро-вок.
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 [4]. 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 учитывается. Это приводит к необходимости проектирования армировок с распором не только в горизонтальной, но и вертикальной плоскости. Это требование обеспечивается применением блочных армировок П-образной или других форм.
Г рафическая интерпретация результатов расчета П-образной армировки приведена на рис. 6.
Исследование таких армировок на конечно-элементных моделях доказывает их высокую несущую способность и возможность применения в
Рис. 4. Консольно-распорная армировка: а - поперечное сечение ствола; б - конечноэлементная модель (нагрузка от собственного веса условно не показана)
а)
Рис. 5. П-образная блочная армировка: а
элементная модель
б)
поперечное сечение ствола;
конечно-
скиповых стволах с интенсивностью подъема до 4-10 Дж.
Сравнение рассмотреннык типовых и безрасстрельнык схем армировки позволяет сделать следующие выюоды:
- типовые многорасстрельные армировки с центральными или хор-
дальными 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;
Таблица 1
Допустимые длины консолей при проектировании чисто консольных армировок (для рельсовых проводников)
Интенсивность подъема, Дж Максимально допустимая ллииа консоли, мм при шаге армировки, м
со м со ю > 5
< 1- 106 400 440 500 600
1106 4 1,44- 106 350 400 490
1,45-106 4 1,73-106 консольно - 350 440
1,74-106 4 2,16-106 распорная 380
2,16-- 5-106 армировка
Таблица 2
Допустимые длины консолей при проектировании чисто консольных армировок (для коробчатых проводников)
Интенсивность подъема, Дж Максимально допустимая длина консоли, мм при шаге армировки, м
2 - 3 3 - 4 4 - 5 > 5
< 1- 106 не ограничена 2200 1500 1100
1- 106 4 1,44 - 106 1000 1200 1000 900
1,45-106 4 1,73 -106 600 800 750 750
1,74-106 4 2,16 -106 450 600 600 650
2,17-106 42,88-106 350 500 500 550
2,89-106 4 3,6- 106 420 430 460
3,61-106 4 4,32-106 консольно - 350 370 410
•I- кО кО О О т-Н т-Н СО СО О распорная 380
5,04-106 - 1 107 армировка
а б
Рис. 6. Графическая интерпретация результатов расчета П-образной блочной армировки: а - совмещенные исходная и деформированная схема; б - эпюра моментов Му; в -эпюра моментов Мг (аксонометрия); г - эпюра моментов Мг (план)
- конструкции, используемые для безрасстрельных схем, позволяют снизить металлоемкость конструкции: для консольных схем - на 16 %, для консольно-распорных - 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 25 %, для расстрелов - на 32 %;
- для более металлоемких типовых схем (К-3, К-4, К-5 и др.) снижение металлоемкости в результате внедрения безрасстрельных 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 армиро-вок ограничивается максимальной длиной консоли, которая может со-
1. Прокопов А.Ю., Страданченко С.Г., Плешко М.С. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов/ Под общ. ред. А.Ю. Прокопо-ва. - Ростов н/Д: Изд-во журн. «Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион», 2005. - 216 с.
2. Ягодкин Ф.И., Прокопов А.Ю.,
Мирошниченко М. А. Анализ развития конструктивных и технологических решений жесткой армировки вертикальных стволов// Г орный информационно-аналитический
бюллетень - М.: МГГУ, 2004. - №10. - С. 235-238.
ставлять 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 армировки, отличающиеся значительно большей жесткостью в горизонтальной плоскости, могут использоваться в клетевых стволах с высокой интенсивностью подъема (5-10 МДж);
- П-образные консольнораспорные 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.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Типовые материалы для проектирования 401-011-87-89. Сечения и армировка вертикальных стволов с жесткими проводниками. - Харьков: Южгипрошахт, 1989.
4. Прокопов А.Ю. Современные требования к проектированию и направления совершенствования армировок шахтных стволов// Материалы международной научно-практической конференции «Уголь -Mining Technologies 2003», посвященной 60-летию ГОАО «Луганскгипрошахт»/ Под ред. В.Н. Окалелова. - Алчевск: ДГМИ, 2003. - С. 140-148.
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------
Прокопов Альберт Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, заместитель директора Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета по образовательной и научной деятельности, г. Шахты,
Пшеничнов Сергей Анатольевич, Новиков Александр Николаевич - студенты 5-го курса кафедры «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы» Шахтинского института ЮРГТУ(НПИ) г. Шахты.
