CC BY
43
ГЕОМЕХАНИКА
УДК 622.258
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ С ПРОТЯЖЕННЫМИ ЗВЕНЬЯМИ
ПРОВОДНИКОВ
Ю.В. Вчерашняя
Установлено, что на основе анализа температурной работы звена проводника в вентиляционных стволах, начиная с глубин 50 м, могут применяться звенья проводников длиной 75 м. Для снижения металлоемкости жесткой армировки перспективным является применение протяженных звеньев проводников длиной 25 - 75 м, закрепленных в стволе на облегченных анкерных опорах. Их напряженно-деформированное состояние определяется амплитудой колебаний температуры воздуха в стволе, размерами температурных зазоров между звеньями, а также величинами возникающих в конструкции стыковых и опорных сопротивлений.
Ключевые слова: вертикальный ствол, армировка, проводник, температурная деформация, напряжения.
Основными конструкциями вертикальных стволов шахт и рудников являются крепь, предназначенная для сохранения проектного положения сечения ствола и его гидрозащиты, и армировка, обеспечивающая направленное и безаварийное движение по стволу подъемных сосудов (скипов, клетей) с заданной интенсивностью.
В типовой жесткой армировке вертикальных стволов в качестве проводников широко используются рельсы Р43 и Р50 длиной 12,5 м. Стыки звеньев проводников располагаются на несущих ярусахармировки и характеризуется достаточно большой металлоемкостью и трудоемкостью их устройства [1-4]. В соответствии с пунктом 2.34 [5] «при монтаже металлических проводников следует учитывать, что максимальный зазор в стыке звеньев при наименьшей температуре в стволе не должен превышать 6 мм. В период эксплуатации при максимальной температуре в стволе этот
зазор должен быть не менее 1 мм. Чтобы обеспечить указанные зазоры, необходимо учитывать максимальный перепад температуры при монтаже и в условиях эксплуатации с учетом коэффициента температурного расширения материала проводников». Вместе с тем конкретные рекомендации по обеспечению данного требования отсутствуют. Величина максимального зазора очевидно обусловлена тем, что такое температурное перемещение незакреплённое звено проводника длиной 12,5 м приобретает при изменении температуры на 40 0С (см. выражение (1)).
В тоже время, выполненные в работах [6,7] исследования показали, что амплитуда колебаний температуры воздуха в стволах может достигнуть подобных значений только в устьевой части воздухоподающих стволов. При достижении глубин 300 м она не превышает 20 оС, а на глубинах более 700 м - 15 оС с учетом максимальных суточных отклонений.
В нормах проектирования железнодорожных путей, в том числе для подземных сооружений, максимальные зазоры нормируются в зависимости от температурных параметров и длины рельсов. Пример таких рекомендаций для тоннелей метрополитенов приведен в таблице [8].
Величины нормальных зазоров в рельсовых стыках в тоннелях __метрополитенов_
Температура рельса, град Величина нормального зазора, мм в зависимости от длины рельса и типа участка
Рельсы длиной 12,5 м на наземном участке Рельсы длиной 25 м Рельсовые плети в тоннеле длиной до 300 м
на наземном участке в тоннеле
+50 - +40 3,0 0,0 0,0
+40 - - +35 1,5
+35 - - +30 4,5 3,0 0,0
+30 - - +25 4,5
+25 - +20 6,0 6,0 2,0 3,0
+20 - +15 7,5
+15 - +10 7,5 9,0 4,5 6,0
+10 - +5 10,5
+5 - 0 9,0 12,0 7,0 9,0
0 - -5 13,5
-5 - -10 10,5 15,0 9,0 12,0
-10 - - -15 12,0 16,5
-15 - - -20 18,0
-20 - - -25 13,5 19,5
-25 - - -30 21,0
-30 - - -40 15,0 21,0
-40 - - -50 16,5 21,0
-50 - -60 18,0 21,0
В этой связи представляется актуальным применение в стволах ветвей проводников, состоящих из протяженных звеньев, кратных 25 м. Это позволит значительно снизить трудоемкость монтажа, уменьшить металлоемкость конструкций, обеспечить большую плавность движения подъемного сосуда по стволу. Соединение отдельных рельсов может осуществляться по мере спуска протяженного звена в ствол на нулевой раме при помощи сварки по аналогии с технологией монтажа трубопроводов. Для закрепления проводников целесообразно использовать облегченные анкерные опоры, конструкция которых подробно рассмотрена в работах
[9, 10].
Рассмотрим в связи с этим работу ветви проводника, закрепленной к крепи ствола на консольных несущих элементах, которая состоит из протяженных звеньев, кратных 25 м, и выполним обоснование параметров ар-мировки с учетом температурных деформаций и возможного максимального раскрытия температурного зазора - 12 мм.
При рассмотрении звена проводника как свободно деформирующейся стойки величина температурного перемещения (удлинения или укорочения) может быть найдена из выражения:
АКсв = аК А? , (1)
полн з в тах ' V /
где а - коэффициент линейного расширения материала пров одника, а = 0,0000118 1/град; Кзв - длина зв ена пров одника, м; Д?тах - максимальное отклонение температуры воздуха в стволе от ее начального значения (при монтаже), град.
Таким образом, при длине звена проводника 25 м удлинение составит 0,295 мм/град, при Кзв=50 м - 0,59 мм/град, при Кзв=50 м - 0,59 мм/град и т. д.
В звене проводника, закрепленном на анкерных опорах, развитию температурных перемещений препятствуют силы сопротивления узлов крепления проводников к анкерным опорам. Общую величину опорного сопротивления можно определить по формуле
т я
Я- =^, (2)
оп
К,
где ИЯ. - суммарное сопротивление узлов крепления звена проводника продольному перемещению.
Величина изменения температуры, при котором происходит преодоление сопротивления узлов крепления на анкерных опорах можно определить из выражения
Я К
А? = оп зв (3)
А?Яоп 50Ь ' (3)
г- 2
где Ь - площадь поперечного сечения проводника, м .
Соответствующее нереализованное температурное перемещение звена проводника составит
а/2
Акн = —зв 2 Яоп . (4)
С учетом данных закономерностей рассмотрим цикл температурных деформаций длинного звена проводника в смонтированной ветви.
Монтаж армировки целесообразно производить при температуре, близкой к максимальным среднегодовым значениям температуры воздуха в стволе. Данная величина принимается за начальную температуру ,0. Начальный зазор между звеньями проводника в этом случае можно принять равным 2 мм.
После закрепления звена проводника на анкерных опорах продольные перемещения концов звена происходят с преодолением стыковых и погонных сопротивлений.
В случае понижения температуры в звене проводника возникают температурные силы
М, = Яс = аБ¥А1Кс , (5)
где Яс - величина стыкового сопротивления звеньев проводника; Е - модуль упругости материала проводника, Е= 2,1-105 МПа.
Соответствующие температурные напряжения в проводнике составляют 0=25Д^, нереализованное температурное перемещение
Д^н=а/звД^с.
С учетом выражения (5) преодоление стыкового сопротивления в стыке происходит при значении температуры
Я
А«с = 25^ (6)
При дальнейшем увеличении температуры происходит постепенное преодоление погонного сопротивления анкерных опор и изменение конструктивного зазора между звеньями проводников на величину:
Я к2
АкЯс = . (7)
Яс 4 ББ v 7
Преодоление стыкового и опорного сопротивления происходит при изменении температуры на величину Д,Яс+Д,Яоп, после чего происходит дальнейшее температурное перемещение проводника с соответствующим увеличением конструктивного зазора до максимального значения при достижении максимально низкой температуры воздуха в стволе ,тщ. Величина изменения конструктивного зазора на этой стадии деформирования может быть определена из выражения
Ак = акзв (А,тах - (А,яс + А,доп)) (8)
Не следует принимать параметры армировки, при которых происходит увеличение максимального значения зазора в стыке ДКтах>1,2 мм и возникновение в узле крепления стыка ветви проводника предельного состояния первой группы. Соответствующее выражение можно представить в виде
аЕЬА?кР <[Ьб ], (9)
где Л?кр- критическое изменение температуры, град; [Ьб]- прочность болтов стыка на срез, Н.
При повышении температуры звено проводника также проходит несколько стадий деформирования. Сначала изменение температуры вызывает уменьшение продольных сил N При изменении температуры на величину Д?Яс они полностью исчезают, при этом для начала процесса перемещения рельса в сторону уменьшения конструктивного зазора и возникновения продольных сил в звене проводника равных ЛГ1=ЯС необходимо изменение температуры еще на величину Д?Яс.
По мере дальнейшего изменения температуры происходит перемещение концов звеньев ветви проводника и уменьшение величины стыкового зазора. При этом на преодоление сил погонного сопротивления от узлов крепления на анкерных опорах необходима температура, равная 2Д?Яоп.
При правильно подобранных параметрах армировки при достижении максимально возможной температуры воздуха в стволе на рассматриваемой глубине величина стыкового зазора станет равной нулю. В случае, если максимальная фактическая температура превысит расчетную, в узле стыка возникнут сжимающие усилия, которые могут привести к развитию поперечных деформаций проводника в горизонтальной плоскости. Соответствующее условие прочности можно представить в виде
#сж = аЕЬА?кр.н < кж], (10)
где Д?кр н- критическое изменение температуры (недопустимый нагрев звена проводника), град; [^сж] - максимально допустимое сжимающее усилие, являющееся функцией боковой жесткости звена проводника, Н.
В соответствии с рассмотренным алгоритмом и данными по закономерностям температурных колебаний в воздухоподающих стволах выполнена серия расчётов безъярусной армировки с типовыми параметрами.
Результаты расчетов для условий Донбасса при проводниках Р50 представлены в виде графиков на рисунке.
Графики изменения размеров зазоров в стыках звеньев армировки при различных отклонениях температуры воздуха в стволе
Установлено, что с учетом кратности звена проводника 25 м в воз-духоподающих стволах с глубины 50 м возможно примените звеньев подводников 25 м, с глубины 175 м - звеньев высотой 50 м, с глубины 425 м -звеньев высотой 75 м. При дополнительном обосновании и четкого соблюдения температурного режима в подземных выработках в вентиляционных стволах, начиная с глубин 50 м, могут применяться звенья проводников длиной 75 м. Устьевые участки стволов всех типов глубиной до 25 м следует армировать стандартными звеньями проводников высотой 12,5 м.
Список литературы
1. Прокопов А.Ю., Плешко М.С. Совершенствование безрасстрель-ной армировки вертикальных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2002. №10. С.240-243.
2. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю., Плешко М.С. Инновационные подходы к проектированию крепи и армировки глубоких шахтных стволов // Наука та прогресс транспорту. 2008. № 21. С. 187-192.
3. Плешко М.С., Прокопов А.Ю., Басакевич С.В.Исследование работы участка крепления безрасстрельной армировки вертикального ствола при комплексном действии нагрузок // Известия высших учебных заведе-
ний. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2007. №4. С.84-86.
4. Прокопов А.Ю., Страданченко С.Г., Плешко М.С. Новые решения в проектировании жесткой армировки вертикальных стволов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. 2005. Т. 216. С. 216.
5. Методика расчета жестких армировок вертикальных стволов шахт. ВНИИГМ им. М.М. Федорова. Донецк, 1985. 160 с.
6. Прокопов А. Ю. Проектирование жестких армировок вертикальных стволов с учетом сезонных колебаний температуры конструкций // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. №10. С.263—270.
7. Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю., Богомазов А. А. Исследование влияния температурных колебаний на состояние жесткой армировки воздухоподающих стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2009. №11. С. 310-314.
8. Инструкция по текущему содержанию пути и контактного рельса метрополитенов. М.: ХА «Метро», 2005. 159 с.
9. Вчерашняя Ю.В. Оценка несущей способности узлов крепления безъярусной армировки глубоких вентиляционных стволов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. №1. С. 379-388.
10. Вчерашняя Ю.В. Анализ напряженно-деформированного состояния безъярусной армировки вентиляционных стволов при различных параметрах узлов крепления // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2015. №4. С. 15 - 19.
Вчерашняя Юлия Валерьевна, аспирант, vcherashnyay@mail.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
RATIONALE PARAMETERS OF THE HARD MINE SHAFT EQUIPMENT LONG LINKS
GUIDES
J.V.Vcherashnyaya
It's established that sections of guides with length of 75 m. can be used in ventilation shafts from depths are equal to 50 m. Using lengthy sections of guides with length of 25 - 75 m., fastened in the shaft at light-weight anchorage bearings is perspective. Their mode of de-formation depends on air temperature disturbance amplitude in the shaft, sizes of temperature clearances between the sections and butting and supporting stresses.
Key words: vertical shaft, equipment, guide, air temperature deformation, stress.
Vcherashnyaya Yliya Valerievna, Post Graduate Student, vcherashnyay@mail.ru, Rostov-on-Don, Rostov State University of communication lines
Reference
1. Prokopov A.Ju., Pleshko M.S. Sovershenstvovanie bezras-strel'noj armirovki ver-tikal'nyh stvolov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten' (nauchno-tehnicheskij zhurnal). 2002. №10. S.240-243.
2. Stradanchenko S.G., Prokopov A.Ju., Pleshko M.S. Innovaci-onnye podhody k proektirovaniju krepi i armirovki glubokih shaht-nyh stvolov // Nauka ta progress transportu. 2008. № 21. S. 187-192.
3. Pleshko M.S., Prokopov A.Ju., Basakevich S.V.Issledovanie raboty uchastka kre-plenija bezrasstrel'noj armirovki vertikal'nogo stvola pri kompleksnom dejstvii nagruzok // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Serija: Tehnicheskie nauki. 2007. №4. S.84-86.
4. Prokopov A.Ju., Stradanchenko S.G., Pleshko M.S. Novye re-shenija v proektiro-vanii zhestkoj armirovki vertikal'nyh stvolov // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Severo-Kavkazskij region. Serija: Tehnicheskie nauki. 2005. T. 216. S. 216.
5. Metodika rascheta zhestkih armirovok vertikal'nyh stvolov shaht. VNIIGM im. M M. Fedorova. Doneck, 1985. 160 s.
6. Prokopov A. Ju. Proektirovanie zhestkih armirovok verti-kal'nyh stvolov s uche-tom sezonnyh kolebanij temperatury konstruk-cij // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2009. №10. S.263-270.
7. Stradanchenko S.G., Prokopov A.Ju., Bogomazov A.A. Issledo-vanie vlijanija temperaturnyh kolebanij na sostojanie zhestkoj armi-rovki vozduhopodajushhih stvolov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2009. №11. S. 310-314.
8. Instrukcija po tekushhemu soderzhaniju puti i kontaktnogo rel'sa metropolitenov. M.: HA «Metro», 2005. 159 s.
9. Vcherashnjaja Ju.V. Ocenka nesushhej sposobnosti uzlov kreple-nija bez#jarusnoj armirovki glubokih ventiljacionnyh stvolov // Gor-nyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2016. №1. S. 379-388.
10. Vcherashnjaja Ju.V. Analiz naprjazhenno-deformirovannogo so-stojanija bez#jarusnoj armirovki ventiljacionnyh stvolov pri razlich-nyh parametrah uzlov kreplenija // Vestnik Rostovskogo gosudarstven-nogo universiteta putej soobshhenija. 2015. №4. S. 15 -19.
