CC BY
21
2. Плешко М.С., Армейское В.Н. Исследование различных способов анкерного упрочнения монолитной бетонной крепи вертикальных стволов на численных моделях // Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород: сб. науч. тр. / Донецкий нац. техн. ун-т. Донецк, 2006. Вып. №12. С. 206-211.
3. Инструкция по расчету и применению облегченных видов крепей с анкерами в вертикальных стволах. Харьков, 1990.
4. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений: Учебник для вузов. М., 1994.
5. Руководство по проектированию подземных горных выработок и расчету крепи / ВНИМИ, ВНИИОМШС Минуглепрома СССР. М., 1983.
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного
технического университета (Новочеркасского политехнического института) 7 ноября 2006 г.
УДК 622.258.3: 622.413
ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА КРЕПЬ И ЖЕСТКУЮ АРМИРОВКУ ВОЗДУХОПОДАЮЩИХ СТВОЛОВ В ДОНБАССЕ
© 2007 г. А.Ю. Прокопов
Сезонные и суточные колебания температуры в воздухоподающих стволах шахт и рудников могут оказывать влияние на состояние крепи и жесткой армировки вследствие линейного теплового расширения (сужения) металлоконструкций и бетона, поэтому контроль над температурным режимом стволов является необходимой составляющей обеспечения безопасной эксплуатации всего подъемного комплекса.
Как показывают исследования [1], тепловые параметры вентиляционной струи в воздухоподающих стволах зависят в первую очередь от температуры поступающего в шахту воздуха, его сезонных и суточных колебаний.
Климат Донбасса характеризуется значительными перепадами температур атмосферного воздуха в течение года и даже суток. Данные метеорологических станций о зафиксированных экстремальных температурах воздуха в Шахтинском районе Донбасса за последние 8 лет [2] приведены в табл. 1.
Таблица 1
Максимумы, минимумы и амплитуды температур в Шахтинском районе Донбасса
Год T °C 1 min; T °C 1 max? ^ ДТ,°С
1999 -19,5 +37,0 56,5
2000 -18,2 +35,4 53,6
2001 -20,3 +38,4 58,7
2002 -27,1 +37,2 64,3
2003 -22,8 +34,0 56,8
2004 -14,6 +32,5 47,1
2005 -20,3 +34,7 55,0
2006 -29,6 +39,4 69,0
Согласно Правилам безопасности [3, §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.
Результаты исследований тепловых параметров вентиляционной струи по глубине ствола, проводившихся путем непосредственных измерений температуры в воздухоподающих и вспомогательных стволах при нормальных (соответствующих ПБ) тепловых режимах, приведены в табл. 2. Показатели амплитуды годовых колебаний и отклонения температур от среднегодовой на различных глубинах представлены в табл. 3.
Таблица 2
Значения среднемесячных температур воздуха в стволах Восточного Донбасса
Месяц Среднемесячная температура воздуха, °С, на глубине
0 м 20 м 100 м 350 м 700 м
Январь -7,9 5,2 4,8 4,9 5,9
Февраль -5,1 4,8 5,7 5,8 8,8
Март 1,6 5 6,5 8,5 11,3
Апрель 8,7 10,1 10,9 11,8 13,1
Май 16,2 15,4 14,9 15,1 15,3
Июнь 20,6 20,4 19,5 17,8 16,3
Июль 23,1 21,9 21 18,5 16,8
Август 20,8 20,3 19,6 18,1 16,5
Сентябрь 16,3 15,8 16,4 15,4 15,6
Октябрь 7,1 9,0 10,9 11,8 13,2
Ноябрь 2 5,2 6,8 8,6 11,7
Декабрь -4,2 2,5 4,3 5,8 8,8
Таблица 3
Характеристики теплового режима воздухоподающих стволов при соблюдении требований Правил безопасности
Характеристика Значения показателя, °С, на глубине
0 м 20 м 100 м 350 м 700 м
Среднегодовая температура 8,3 11,3 11,7 11,8 13
Годовая амплитуда колебаний температуры 31 19,4 16,7 13,6 10,9
Максимальные отклонения среднемесячных температур от среднегодовой 16,2 10,6 9,3 6,9 7,1
Как следует из табл. 2, температура воздуха в воздухоподающих стволах даже при соблюдении требований ПБ к тепловому режиму изменяется в течение года в широких пределах: от 2,5 до 23 °С. Наибольшая разность температур между самым жарким месяцем и наиболее холодным по горизонтали меняется от 19,5 до 11 °С, причем с глубиной эта разность падает. Также отмечены небольшие изменения температуры по глубине ствола, достигающие в холодные месяцы года 2°С и более, а в теплые месяцы - до 1°С на каждые 100 м глубины ствола, причем с глубиной эти изменения уменьшаются.
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 [1]. Так, например, известны случаи обмерзания вспомогательных (клетевых) и воздухоподающих стволов до глубины 300-400 м (ГХК «Луганскуголь», шахта им. Артема -вспомогательный ствол, шахта «Ломоватская» - клетевой ствол; ПО «Артемуголь», шахта им. Румянцева -ствол № 3; ГХК «Макеевуголь», шахта «Красногвардейская» - клетевой ствол; ПО «Красноармейск-уголь», шахта им. Стаханова - ствол № 4) [4]. Аналогичные нарушения наблюдались зимой 1995-1996 гг. во вспомогательных стволах шахты им. М.П. Чиха и 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 разделению растворной и щебеночной составляющих бетона и к постепенному осыпанию и утонению крепи (шахта им. Засядько -клетевой ствол № 3; ГХК «Лисичанскуголь», шахта «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 арми-ровки 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 и стали.
Как следует из табл. 1, 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 подъемно-стволового комплекса. В табл. 4 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.
Таблица 4
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
1 Аварийный тепловой режим, обмерзание ствола до глубины 350 м.
2 Замеры произведены в августе 2006 г. в период аномальной жары (до +39,4 °С), установившейся в Донбассе.
Как следует из табл. 4, экстремальные температурные колебания существенно превосходят средние (табл. 3), поэтому температурные нагрузки на конструкции армировки должны учитывать возможность возникновения подобных аномальных тепловых режимов.
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.
Произведем сравнение и найдем зависимости амплитуд средних и экстремальных температур от глубины ствола (рис. 1).
60
50
40
30 !
н о и Й ' « 2
10 Т y = - 0,0001л3 + 0,0189л2 - 0,8584л + 31,121
R = 0,9969
y = - 0,0094л + 17,167
R2 = 0,9608
100 200 300 400
Глубина ствола, м
500
600
700
Рис. 1. Графики зависимости амплитуд среднемесячных ДТср и экстремальных ДТэ температур от глубины ствола Н
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 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):
- для амплитуд, рассчитанных по среднемесячным температурам
Л^ср =
-1-10-4Н3 +1,9-10-2Н2 -0,858Н + 31,12,
V Н е [0,50]; -9,4 -10 -3 Н + 17,17, V Н е (50, 1000);
(1)
ЛТ, =
-2-10 -4 Н3 + 3-10 -2 Н 2 -1,392Н + 50,25,
V Н е [0,50]; -1,07 -10 -2 Н + 27,6, V Н е (50, 1000).
(2)
возрастает в первом приближении линейно с температурой по закону
l = l0 (1 + а t),
(3)
- для амплитуд, рассчитанных по экстремальным (пиковым) температурам:
Полученные зависимости с высокой степенью точности отражают результаты исследований, коэффициент корреляции для уравнений (1) и (2) находится в пределах Я2 = 0,96 - 0,99.
Такие колебания температуры сказываются на напряженно-деформированном состоянии жесткой ар-мировки.
Согласно закону теплового линейного расширения, при повышении температуры длина твердых тел
где I - длина тела при температуре t, м; 10 - его длина при температуре /0 = 0°С, а - температурный коэффициент линейного расширения, для стали а = 1,2-10-5 1/°С. Для твердых изотропных тел а = Ъ/3, где Ъ - температурный коэффициент объемного расширения, 1/°С.
Исследуем, как влияет амплитуда колебаний в стволах на изменение длины элементов армировки. На основании уравнения (3) и данных об изменении средних и экстремальных температур и их амплитуд в течение года на разных глубинах (табл. 2, 3 и 4) построим номограммы для определения максимальных удлинений элементов армировки (равных необходимым температурным зазорам) в зависимости от глубины ствола и длины расстрелов (рис. 2) или профиля проводника (рис. 3).
На основании приведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Тепловые параметры вентиляционной струи в воздухоподающих стволах зависят в первую очередь от температуры поступающего в шахту воздуха, его сезонных и суточных колебаний. Температура воздуха в воздухоподающих стволах Донбасса при соблюдении требований ПБ к тепловому режиму изменяется в течение года в широких пределах: от 2,5 до 23 °С.
2. 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 350-400 м). В этих случаях зафиксировано обледенение крепи стволов до глубины 200 м (в Российском Донбассе) и до 400 м (в Украинском Донбассе).
0
Проектная длина расстрела, м 9 8 7 6 5 4
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Удлинение расстрела, мм
200 300 400 500 Глубина ствола, м
700
Рис. 2. Номограмма для определения удлинения расстрела в зависимости от глубины ствола и проектной длины расстрела
7 6 5 4 3 2 Удлинение расстрела, мм
100 200 300 400 500 600 700 Глубина ствола, м
Рис. 3. Номограмма для определения удлинения проводников в зависимости от глубины ствола и профиля проводника
3. На жесткую армировку воздухоподающих стволов оказывают влияние 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 в результате сезонных температурных колебаний определяется необходимый темпера-
турный зазор на стыках проводников или дополнительная величина податливости расстрелов.
Литература
1. Вяльцев М.М. Прогноз и регулирование термонапряженного состояния горных выработок. М., 1988.
2. Архив погодных условий. http://meteo.infospace.ru
3. Правила безопасности в угольных шахтах. Самара, 1995.
4. Гамаюнов В.В., Будник А.В. Основные виды и причины нарушений крепи вертикальных стволов угольных шахт // Технология и проектирование подземного строительства: Вестн. Донецк, 2003. С. 91 - 97.
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)
7 ноября 2006 г.
1
