КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОПОВЫШЕНИЮ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ


Вертикальный ствол современного горнодобывающего предприятия представляет собой масштабное, во многом уникальное подземное сооружение, имеющее большую глубину и диаметр. Одной из основных конструктивных частей ствола является армировка, которая оказывает большое влияние на стоимость и продолжительность строительства              ствола,              величину
эксплуатационных расходов, связанных с проветриванием горных выработок.
По мере развития горнодобывающей промышленности в нашей стране и за рубежом глубина разработки месторождений постоянно растет. Так в настоящее время глубина отработки запасов в Российском Донбассе перешагнула 1200 м, в Кузбассе - 700 м. На Норильском горнометаллургическом комбинате на руднике «Октябрьский» построено 10 стволов глубиной 800 - 1200 м, на руднике «Таймырский» - 6 стволов глубиной 1430 - 1585 м.
В ЮАР на шахтах золоторудной промышленности преимущественная глубина стволов составляет 1500 - 2000 м, а глубина отдельных стволов достигает 2500 м. Скорость движения подъемных сосудов в этих стволах - 18 м/с и более. В ближайшем будущем планируется строительство 60 - 70 сверхглубоких вертикальных стволов диаметром в свету до 12 м и глубиной до 4000 м [1].
Условия работы армировки в главных (угольных и рудоподъемных) и вспомогательных (породных, грузолюдских и др.) глубоких вертикальных стволах можно охарактеризовать как весьма сложные. Армировка испытывает комплекс постоянных и временных нагрузок, обусловленных воздействием движущихся с высокой скоростью подъемных сосудов, деформациями вмещающих пород и стенок ствола, собственным весом армировки, температурными колебаниями и др. Очевидно, что с дальнейшим ростом глубины стволов нагрузки и воздействия на армировку будут увеличиваться, а применение в таких условиях существующих конструкций, схем армировки, технологических схем их монтажа может оказаться неэффективным.
Рассмотрим основные проблемы армирования глубоких стволов и возможные пути их решения.
В нашей стране преобладающим типом армировки до настоящего времени была жесткая металлическая армировка с расстрелами балочного типа и коробчатыми или рельсовыми проводниками. В глубоких вертикальных стволах с высокой интенсивностью подъема применялись, как правило, рамные конструкции ярусов, состоящие из двух - трех балочных расстрелов, закрепленных обоими концами в стенку ствола и соединенных между собой несколькими связями. В качестве основного профиля поперечного сечения расстрелов и проводников использовался сварной коробчатый, выполненный из равнобоких или неравнобоких уголков с толщиной полки 10 мм и более. Основные схемы расположения ярусов - боковое двухстороннее для скипов, лобовое двухстороннее и боковое одностороннее для клетей.
Основным недостатком описанной армировки, наиболее существенно проявляющимся в глубоких стволах с высокой интенсивностью подъема, является низкая технико-экономическая эффективность. Армировка имеет большую металлоемкость, трудоемкость и стоимость монтажа, высокое аэродинамическое сопротивление воздушной струе, подаваемой по стволу для проветривания подземных выработок. Загроможденность сечения делает невозможным спуск крупногабаритных грузов по стволу.
Проанализировав работы отечественных и зарубежных ученых можно выделить несколько направлений повышения технико-экономической эффективности жесткой армировки с расстрелами балочного типа. Применение более рациональных профилей элементов армировки. Как уже говорилось выше, наиболее распространенным профилем поперечного сечения проводников и расстрелов при действии больших эксплуатационных нагрузок является сварной коробчатый, выполненный из уголков. В то же время его нельзя признать наиболее экономичным по таким факторам как металлоемкость и аэродинамическое сопротивление. Так для расстрелов более эффективным является применение гнутых эллиптических и прямоугольных с закругленными углами профилей, изготавливаемых путем профилирования полосовой стали со сваркой в потоке, квадратных и круглых толстостенных труб. Переход на такие профили позволяет снизить аэродинамическое сопротивление расстрела в полтора - два раза при одинаковых прочностных свойствах.
Для проводников более эффективно использовать гнутые С - образные профили конструкции Кривбасспроекта (рис.1.а), которые при равных инерционных характеристиках имеют в среднем в 1,3 - 1,4 раза меньшую массу чем сварные коробчатые профили Южгипрошахта. В практике горнодобывающей промышленности ЮАР для проводников применяют специальный прокатный профиль (рис. 1.б) также позволяющий значительно снизить расход метала при сохранении большой лобовой и боковой поперечной жесткости проводника [2].



а)              б)
Рис. 1. Ресурсосберегающие профили проводников
В то ж время изготовление проводников и расстрелов таких профилей, особенно в современных условиях, весьма затруднено, поэтому этот способ совершенствования армировки отечественные специалисты не считают перспективным. Необходимо учитывать и то, что замкнутые профили имеют более высокую коррозийную стойкость, а, следовательно, и долговечность, чем открытые.
2. Совершенствование схем армировки. Одним из основных способов совершенствования существующих схем армировки является замена расстрелов консольными, консольно-распорными или блочными конструкциями. Такая армировка получила название безрасстрельной и начала внедряться в нашей стране с конца шестидесятых годов прошлого века. Анализ полученного промышленного опыта показал, что безрасстрельные схемы армировки имеют существенное преимущество в сравнении с типовыми многорасстрельными по таким факторам как металлоемкость, трудоемкость, стоимость армирования, а также аэродинамическое сопротивление. В тоже время был выявлен ряд проблемных              аспектов,              сдерживающих более широкое применение
безрасстрельной армировки в вертикальных стволах.
Во-первых,              монтаж безрасстрельной армировки в силу ее
конструктивных особенностей (обособленность несущих элементов в ярусе, крепление консольных балок к стенке ствола только одним концом и др.) существенно отличается от возведения типовых многорасстрельных ярусов. Работы по установке безрасстрельных элементов армировки требуют применения специальных монтажных шаблонов сложной конструкции, затрудняется контроль за точностью монтажа и соблюдением соосности элементов в ярусе. При применении консольно-распорной и особенно блочной армировки увеличивается число узлов крепления несущих конструкций к стенкам ствола, которые при этом располагаются близко друг от друга.
Облегчить монтаж консольно-распорной и блочной армировки может укрупненная сборка конструкций на поверхности в один 12-метровый блок (при коробчатых проводниках). Однако эффективной технологии монтажа таких звеньев в стволе до настоящего времени не разработано. Особенно затруднена стыковка проводников устанавливаемого звена с предыдущем.
В силу этих факторов шахтостроительные организации, занимающиеся проектированием, проходкой и армированием вертикальных стволов, в большинстве случаев делают выбор в пользу типовой многорасстрельной армировки, так как накопленный опыт ее возведения позволяет достигнуть высокой скорости армирования, точности монтажа, четкой и безопасной организации работ.

Во-вторых, наиболее эффективными по факторам металлоемкость, трудоемкость, стоимость армирования, аэродинамическое сопротивление ствола являются безрасстрельные схемы армировки с использованием в ярусе только одинарных консолей. В тоже время такие конструкции обладают относительно низкой несущей способностью и могут применяться в основном в стволах с невысокой интенсивностью подъема. Вследствие этого область их применения, особенно в глубоких стволах, весьма ограничена.
Консольно-распорные и блочные армировки обладают большой несущей способностью, но экономическая эффективность их применения в сравнении с консольной значительно ниже, а технология изготовления и монтажа, как уже говорилось, более сложна.
В-третьих, полностью перейти на безрасстрельную схему можно только при клетевом подъеме. В скиповых стволах отказаться от необходимости
установки центрального балочного расстрела практически никогда не удается. Некоторые специалисты              считают,              что основным направлением
совершенствования схем армировки скиповых стволов является не переход на безрасстрельные схемы, а более рациональное расположение проводников относительно подъемных сосудов, например диагональное.
В качестве примера на рис. 2.а и 2.б представлены соответственно типовая схема С2 Южгипрошахта с лобовым расположением проводников и разработанная там же схема с диагональными проводниками [3].



Рис. 2. Схемы армировки скиповых стволов
Данное решение позволило уменьшить число расстрелов и узлов их крепления в ярусе, снизить аэродинамическое сопротивление армировки, а расположение проводников вблизи крепи ствола повысило жесткость конструкции.
В-четвертых, безрасстрельные схемы армировки будут наиболее эффективны в стволах малого и среднего диаметра. При диаметре ствола более 7 метров длина консольных элементов в ярусе будет очень большой, что негативно сказывается на жесткости конструкции. В этом случае более рациональными будут комбинированные схемы армировки с расстрелами для крепления проводников подъемных сосудов и консолями для навески проводников противовесов.
Вследствие этих причин существующие безрасстрельные конструкции армировки нельзя признать оптимальными, и для их более широкого внедрения необходим дальнейший поиск новых технических решений, учитывающих весь комплекс монтажных и эксплуатационных требований, предъявляемых к армировке. Крепление несущих элементов армировки анкерами. Получивший в нашей стране наибольшее распространение способ крепления расстрелов (бетонирование в лунках) нельзя признать эффективным. Продолжительность работ по разделке лунок и бетонировании в них концов расстрелов составляет 37 - 64 % от общего времени цикла, а некачественная заделка лунок является основной причиной снижения жесткости и прочности расстрелов.

В последние годы все более широкое применение находит способ крепления расстрелов анкерами. Его промышленное внедрение при строительстве более 20 вертикальных стволов шахт ПО «Шахтерскантрацит», ОАО «Ростовуголь», ПО «Белорускалий» ОАО «Ростовшахтострой», рудников Норильского ГМК и др. показало, что трудоемкость работ по армированию снижается на 25 - 40 % [4]. В то же время общая металлоемкость и стоимость армировки существенно не изменяются.
Проблемным аспектом анкерного крепления является трудность компенсирования негативного влияния радиальных отклонений стенок ствола от проектного положения. Если при применении балочных расстрелов эту проблему можно решить путем выдвижения концов анкеров внутрь ствола с оставлением зазора между опорной плитой расстрела и крепью (до 10 см), то при безрасстрельной армировке необходимо использовать составные консоли или крепить консоли на кронштейнах с возможностью регулирования в радиальной плоскости. Данные узлы конструктивно сложны, а их надежность и долговечность комплексно не исследована.
4. Увеличение шага армировки. При проектировании жесткой армировки основными воздействиями на конструкцию считаются эксплуатационные динамические нагрузки, которые возникают вследствие колебаний подъемного сосуда в горизонтальной плоскости при его движении. Исследования поведения системы «подъемный сосуд - армировка» позволили установить, что между величиной динамических нагрузок и шагом армировки существует обратно-пропорциональная зависимость, которую в упрощенном виде можно представить в виде выражения

где              - функции, характеризующие кинематические и
деформационные свойства системы «подъемный сосуд - армировка»;
(m-V ) - интенсивность подъема, Дж; h - шаг армировки, м.
На основании этого были рекомендованы и нашли промышленное применение в отечественной практике жесткие армировки с шагом 6,0 м при коробчатых проводниках и 6,25 м при рельсовых. Полученный опыт их использования свидетельствует о высокой работоспособности и экономической эффективности таких конструкций.
В глубоких и сверхглубоких стволах для обеспечения необходимых технико-экономических показателей может потребоваться дальнейшее увеличение шага армировки до 8 - 12 м и более. Однако возможности для такого увеличения при типовой конструкции армировки практически исчерпаны, вследствие опасности возникновения больших прогибов в проводниках.
Решить эту проблему можно путем включения в конструкцию армировки дополнительной опорной ветви, параллельной проводнику, усилением профиля проводника в центральной части пролета, соединением проводников между ярусами дополнительными связями. Для промышленного внедрения этих конструкций необходимо комплексное исследование их работы в различных

условиях эксплуатации и разработка методических основ проектирования армировки с увеличенным шагом.
Таким образом, основными проектными решениями, позволяющими повысить технико-экономическую эффективность жесткой армировки в глубоких вертикальных стволах, являются: крепление элементов армировки анкерами; переход на безрасстрельные и малорасстрельные схемы армировки с более рациональным расположением проводников; увеличение шага армировки путем усовершенствования существующих типовых конструкций. Для реализации этих решений на практике необходимы дальнейшие исследования армировки, учитывающие все особенности ее работы в глубоких стволах при действии больших динамических нагрузок.
Литература Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И., Мартыненко И.А., Нечаенко В.И. Технология строительства вертикальных стволов. - М.: Недра, 1997. - 456 с. Баклашов И.В. Расчет, конструирование и монтаж армировки стволов шахт.- М.: Недра, 1973. - 248 с. Горенцвейг И. Г. Прогрессивные конструкции армировок скиповых вертикальных стволов // Уголь. - 1984. - № 4. - С. 22 - 25. Сыркин П.С., Ягодкин Ф.И., Мартыненко И. А. Технология армирования вертикальных стволов. - М.: Недра, 1996. -202 с.
УДК 622.023

<< | >>
Источник: Неизвестный. Проблемы горного дела и экологии горного производства: Матер. IV междунар. науч.-практ. конф. (14-15 мая 2009 г., г. Антрацит) - Донецк. 2009

Еще по теме КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПОПОВЫШЕНИЮ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИЖЕСТКОЙ АРМИРОВКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ:

  1. 2.3.2. Философия техники и техническая рациональность
  2. Глава 16 БЕЗОПАСНОСТЬ ТРУДА ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
  3. ИСКУССТВО ОБЩЕНИЯ (философия и технические подробности) Есть такая техника!
  4. Срок решения технической задачи
  5. Глава 3 ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРНОЙ, ТРУБОПРОВОДНОЙ, ИНЖЕНЕРНОЙ И НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ, ПРИВЛЕКАЕМОЙ К ТУШЕНИЮ ПОЖАРОВ
  6. И. Экономические рамки технической эволюции
  7. Критерии выбора рациональных технических решений по предупреждению экологических потерь
  8. ОДНА ПУШКА — 100 СТВОЛОВ!
  9. Понятие «техника». Этапы развития техники. Значение науки и техники в экологических процесса
  10. Технико-экономический анализ ущерба окружающей среды
  11. Эколого-экономическая оценка технической документации по результатам экспертизы
  12. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
  13. ПИРОГА РОБИНЗОНА, или Размышления о применении физических эффектов и явлении при решении технических задач
  14. Вертикальные судовые трапы
  15. I. ПРОИЗВОДСТВО СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СССР И ЗА РУБЕЖОМ. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ
  16. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ
  17. Особенности «вертикального контракта»
  18. Понятие о вертикальной и горизонтальной профессиональной карьере