Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения icon

Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения




Скачати 247.12 Kb.
НазваОбоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения
Армейсков Виталий Николаевич
Дата01.07.2012
Розмір247.12 Kb.
ТипАвтореферат диссертации


На правах рукописи


Армейсков Виталий Николаевич




обоснование способов повышения

несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств

ее упрочнения


Специальность
25.00.22 – «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


Новочеркасск – 2010

Работа выполнена в Шахтинском институте (филиале) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное, гражданское строительство и строительные материалы».


Научный руководитель доктор технических наук, профессор

^ Страданченко Сергей Георгиевич


Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент

Привалов Александр Алексеевич

кандидат технических наук

^ Стеценко Виталий Петрович


Ведущая организация ГОУ ВПО «Тульский государственный

университет», г. Тула


Защита состоится 6 апреля 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.07 при Южно-Российском государственном техническом университете (Новочеркасском политехническом институте) по адресу 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132, ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107, тел./факс: (863-52) 2-84-63, email: ngtu@novoch.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮРГТУ(НПИ) (г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132).


Автореферат разослан «____» марта 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Колесниченко Евгений Александрович





^ Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одной из важнейших задач экономики России в XXI веке является эффективное развитие горнодобывающей промышленности, направленное на сохранение и увеличение объемов добычи угля, рудных и минеральных полезных ископаемых.

Введение в эксплуатацию новых производственных мощностей характеризуется постоянным увеличением глубины разработки и протяженности вертикальных стволов, являющихся основными вскрывающими выработками горнодобывающих предприятий.

Глубина строящихся вертикальных стволов в нашей стране перешагнула двухкилометровую отметку при средних значениях 900 - 1200 м. На их долю приходится до 30% стоимости и до 50% общей продолжительности строительства шахты или рудника. Значительная часть этих затрат связана с креплением выработок.

В настоящее время в России и странах СНГ при проходке вертикальных стволов практически не имеет конкуренции совмещенная технологическая схема проходки, характеризующаяся возведением монолитной бетонной крепи вслед за подвиганием забоя ствола. С ростом горного давления и усложнением условий строительства возникает задача по повышению несущей способности бетонной крепи, решаемая на практике путем увеличения ее толщины, перехода на железобетонную или тюбинговую крепь.

С увеличением толщины монолитной бетонной крепи на каждые 5 см стоимость проходки стволов возрастает на 5...7%. Одновременно увеличивается объем выемки породы на 2...3%, возрастает расход бетона на 8...15%. При применении железобетонной крепи происходит снижение темпов крепления в 1,5 - 2 раза, увеличение трудоемкости работ на 30 - 40% и более. На крепление 1 м ствола затрачивается от 0,5 до 1,5 т металла.

Из практики известны и другие способы повышения несущей способности крепи, предусматривающие увеличение прочностных свойств материала крепи, переход на комбинированное анкерно-бетонное крепление и др. Более широкому применению таких технологий мешает ряд неразработанных теоретических и технологических вопросов, связанных с обоснованием оптимальных параметров крепи и технологии ее возведения.

Вследствие этого поиск и разработка прогрессивных способов совершенствования крепи вертикальных стволов при совмещенной схеме проходки, направленных на повышение ее технико-экономической эффективности, является актуальной задачей современного шахтного строительства.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен обоснованию способов повышения несущей способности монолитной бетонной крепи стволов, возводимой по совмещенной технологической схеме.

Диссертационная работа выполнена в рамках темы НИР 17.05 «Исследование геомеханических процессов подземного пространства, влияние этих процессов на сопутствующие среды и земную поверхность», выполняемой в Шахтинском институте ЮРГТУ (НПИ) по заданию Федерального агентства по образованию, а также в рамках реализации программно-целевых мероприятий Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов, поддержанного Аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 гг.)» и Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (на 2009-2013 гг.)».

^ Целью работы является обоснование способов повышения несущей способности крепи стволов при совмещенной схеме проходки с использованием современных средств упрочнения, что позволит увеличить эксплуатационную надежность и технико-экономическую эффективность крепи.

^ Идея работы: повышение несущей способности и технико-экономической эффективности монолитной бетонной крепи вертикальных стволов достигается применением современных средств упрочнения материала и конструкции крепи: модифицированных бетонов, фибробетонов, анкеров контактного типа при сохранении минимальной толщины крепи с учетом стадии твердения бетона в призабойной зоне ствола.

^ Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий численное моделирование методом конечных элементов объемной задачи взаимодействия крепи с массивом пород в призабойной зоне ствола по мере подвигания забоя, лабораторные испытания бетона, статистическую обработку результатов испытаний, аналитические методы исследований работы крепи стволов, корреляционный анализ, технико-экономический анализ, опытно-промышленную проверку полученных результатов.

^ Защищаемые научные положения:

1. Отношение нормальных тангенциальных напряжений к прочности бетона крепи в момент отрыва опалубки нелинейно снижается при увеличении скорости твердения бетона за счет применения химических добавок на основе суперпластификаторов, необходимая концентрация которых определяется с учетом продолжительности проходческого цикла.

2. Включение в состав бетона крепи стволов стальной фибры в объеме 80 - 100 кг/м3 позволяет увеличить запас ее несущей способности на 12 - 18% при действии на крепь равномерных нагрузок и в 1,89 - 2,0 раза в условиях неравномерного загружения крепи. Запас несущей способности сталефибробетонной крепи по сравнению с обычной бетонной нелинейно возрастает с уменьшением модуля сдвига вмещающих пород.

3. В монолитной бетонной крепи толщиной 250 - 300 мм, упрочненной анкерами контактного типа длиной 1,5 - 2,5 м, при плотности их установки 1,0 - 2,0 анк./м2 происходит снижение средних нормальных тангенциальных напряжений, развивающихся в процессе взаимодействия с породным массивом до 15 - 19 %, а в наиболее нагруженном внутреннем слое крепи – до 28%.


^ Новые научные результаты, полученные лично соискателем:

1. Получено выражение для определения необходимой прочности бетона возведенной заходки крепи на момент распалубки в зависимости от величины проектной прочности, продолжительности проходческого цикла, свойств пород массива и бетона.

2. На основе полученных зависимостей прочности сталефибробетона при сжатии и на растяжение при изгибе от расхода фибры определен диапазон изменения запаса несущей способности сталефибробетонной крепи в условиях действия равномерных и неравномерных нагрузок.

3. Установлены зависимости коэффициента упрочнения монолитной бетонной крепи анкерами контактного типа от их параметров (длины, диаметра, плотности установки), а также отношения модулей общей деформации бетона и массива пород.

^ Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается высокими значениями коэффициентов корреляции полученных автором корреляционных зависимостей (0,91 - 0,94), удовлетворительной сходимостью результатов, полученных методом численного моделирования, с данными измерений других авторов, представительным объемом лабораторных испытаний различных составов бетона, проектными проработками и успешным внедрением результатов диссертационных исследований.

^ Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола при различной скорости набора прочности бетона и темпах проходки, а также при анкерном упрочнении крепи.

^ Практическое значение работы заключается:

  • в разработке эффективных составов бетона для возведения крепи по совмещенной технологической схеме;

  • в обосновании параметров бетонной крепи минимальной толщины с высокой несущей способностью;

  • в предложенных автором технологических схемах установки упрочняющей анкерной крепи на различных этапах сооружения ствола.

^ Реализация работы. Основные результаты работы использованы ОАО «Ростовшахтострой» при разработке технологического проекта крепления вертикального ствола подземного рудника «Удачный» АК «Алроса».

^ Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены на международных научных симпозиумах и конференциях: «Неделя горняка» (г. Москва, 2006 - 2009 г.г.); 54-58 научные конференции Шахтинского института Южно-Российского государственного технического университета (г. Шахты, 2005 - 2009 г.г.); «Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений» (ДонНТУ, 2006 г.); «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» (Восточноукраинский национальный университет им. Даля, 2006 г.).

Разработанная технология крепления стволов была представлена на «Всероссийской выставке – ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Российской Федерации», прошедшей в мае 2005 г. в г. Новочеркасске.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

^ Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 155 наименований и 3 приложений. Содержит 176 страниц машинописного текста, 48 рисунков и 37 таблиц.


^ Основное содержание работы

Современный уровень научной и практической базы проектирования и строительства вертикальных стволов накоплен благодаря труду ученых и специалистов научно-исследовательских, проектно-конструкторских, производственных организаций и высших учебных заведений России.

Основополагающие результаты по геомеханике массивов горных пород и проектированию параметров крепи вертикальных стволов получены И.В. Баклашовым, Н.С. Булычевым, Ю.З. Заславским, Б.А. Картозия, А.М. Козелом, Г.А. Крупенниковым, А.П. Максимовым, А.Г. Протосеня, А.А. Репко, Н.Н. Фотиевой и многими другими учеными.

Вопросам совершенствования технологии проходки и крепления стволов посвящены работы А.Г. Гузеева, О.С. Докунина, И.Г. Коскова, В.В. Левита, И.А. Мартыненко, Н.М. Покровского, А.А. Пшеничного, И.С. Стоева, П.С. Сыркина, Р.А. Тюркяна, Ф.И. Ягодкина и др.

Начиная с 70-х годов прошлого века и по настоящее время, в нашей стране доминирующее положение занимает совмещенная схема проходки стволов с креплением монолитным бетоном. Толщина крепи, ее тип и технология возведения оказывают существенное влияние на стоимость, трудоемкость и скорость проходки ствола. Наиболее высокие технико-экономические показатели строительства достигались, как правило, при толщине монолитной бетонной крепи 250 - 300 мм.

Проф. Н.С. Булычевым было предложено рассматривать две стадии взаимодействия крепи с массивом при совмещенной схеме проходки:

  • взаимодействие твердеющей монолитной бетонной крепи с деформирующимся массивом пород в призабойной зоне ствола;

  • взаимодействие крепи проектной прочности со стабилизировавшимся массивом на протяженном участке ствола.

В настоящее время в практике проектирования стволов большое распространение получили методы расчета на основе принципа контактного взаимодействия крепи с массивом, основанные на аналитических решениях соответствующих задач теории упругости в плоской постановке. Этот метод позволяет с необходимой точностью оценить напряженно-деформированное состояние крепи на второй стадии взаимодействия крепи с массивом. Расчеты показывают, что область применения монолитной бетонной крепи при увеличении класса бетона возрастает по параболической зависимости, и при переходе с класса бетона B15 на В30 несущая способность крепи толщиной 250 мм возрастает на 40-80% в зависимости от горно-геологических условий. Это существенно больше, чем при увеличении толщины крепи в 2 раза. В связи с этим в качестве эффективного решения по повышению технико-экономических показателей крепления стволов может рассматриваться переход на крепь минимальной толщины с высокой проектной прочностью.

Призабойная зона ствола представляет собой пространственный объект, в котором с массивом взаимодействует толстостенная бетонная оболочка переменного сопротивления, физико-механические свойства которой определяются видом и скоростью твердения бетона, а также темпами проходки ствола. Комплексного исследования такой системы не проводилось. Кроме того, отсутствует достаточно полная информация о прочностных свойствах бетона крепи стволов в раннем возрасте. Для их получения выполнен анализ параметров крепи 97 стволов Донбасса, на основе которого выделено 37 составов бетона с различными видами цемента, расходом исходных компонентов и проектной прочностью. Далее произведена статистическая обработка данных о прочности бетонов, имеющихся в журналах крепления стволов, а также выполнен ряд собственных испытаний бетонов при различном сроке твердения.

Исследования показали, что свойства бетона наиболее существенно отличаются от проектных в возрасте до 7 сут. Кривые максимальной и минимальной интенсивности набора прочности составов бетона в возрасте 1 - 7 сут., широко применяемых в шахтном строительстве, аппроксимируются следующими выражениями (коэффициенты корреляции составили 0,91 и 0,94):

(1)

где Rmax(T) и Rmin(T) – соответственно максимальная и минимальная прочность бетона в раннем возрасте, МПа; R28 – проектная прочность бетона, МПа; Т – срок твердения бетона, сут.

Полученные данные о динамике набора прочности бетона легли в основу численного моделирования призабойного участка ствола, выполненного методом конечных элементов с использованием программного комплекса «Лира - 9,0». В результате расчетов объемной численной модели в различных условиях определялись все компоненты тензора напряжений в конечных элементах крепи, а также перемещения в узлах.

Оценка напряженно-деформированного состояния крепи производилась через отношение напряжений в крепи к прочности бетона 1/RT (здесь ?1 – максимальные нормальные тангенциальные напряжения в сечении крепи; RТ  – прочность бетона при сжатии в рассматриваемый момент времени).

Согласно полученным данным, а также исследованиям проф. Булычева Н.С. наиболее интенсивному воздействию подвергается ближайшая к забою заходка крепи в момент снятия опалубки. В связи с этим выполнена оценка напряженно-деформированного состояния первой заходки крепи в момент отрыва опалубки в различных условиях. К бетону крепи дополнительно прикладывались снимаемые напряжения, возникающие при отрыве опалубки.

На рис. 1 показаны значения отношения 1/RT при различной скорости проходки и скорости набора прочности бетона.



а)





б)



^ Рис. 1. Зависимость величины 1/RT в бетоне крепи в момент отрыва опалубки от:
а) скорости проходки; б) скорости набора прочности бетона


Из графиков, показанных на рис. 1, следует, что при увеличении скорости проходки относительная интенсивность напряжений в бетоне исследуемой заходки возрастает по линейной зависимости. При увеличении скорости набора прочности бетона, характеризуемой отношением RT/R28, относительная интенсивность напряжений снижается по параболической зависимости. Это позволяет сделать вывод о возможности регулирования напряженно-деформированного состояния крепи в рассматриваемый момент путем управления скоростью твердения бетона.

При медленном наборе прочности бетона относительная интенсивность напряжений в твердеющей крепи призабойной зоны ствола в 1,2 - 1,7 раза выше, чем в крепи проектной прочности на протяженном участке ствола, при этом с уменьшением продолжительности проходческого цикла и модуля сдвига вмещающих пород данное соотношение возрастает.

Интенсивное загружение бетона в раннем возрасте может нарушить процесс его естественного твердения, привести к развитию трещиноватости, что повлечет за собой снижение несущей способности и долговечности крепи.

Учитывая сказанное, в качестве одного из критериев эффективности проектирования крепи, возводимой по совмещенной схеме, предлагается соблюдение условия по обеспечению запаса несущей способности твердеющей крепи в призабойной зоне не менее чем у крепи проектной прочности. Это возможно при определенном значении прочности бетона на момент распалубки. На основании исследований получена следующая зависимость для определения необходимой прочности:

(2)

где ^ T – срок твердения бетона на момент распалубки, сут.; kпр – коэффициент, учитывающий влияние деформационных свойств пород, принимает значения в пределах 0,86 - 1,12; kt – коэффициент, учитывающий продолжительность проходческого цикла, kt =0,95 - 1,05; a, b – коэффициенты, зависящие от проектного класса бетона, а=0,11 - 0,16, b=0,19 - 0,33.

В настоящее время на практике для увеличения скорости набора прочности бетона в раннем возрасте применяют различные ускорители твердения. Они имеют ряд недостатков и не оказывают заметного влияния на величину проектной прочности.

В результате лабораторных испытаний бетонов различных составов установлено, что обеспечить соблюдение указанных выше требований можно путем использования современных добавок на основе суперпластификаторов. В табл. 1 приведен ряд результатов статистической обработки данных по испытаниям модифицированных бетонов. Состав 1 является контрольным.

Таблица 1

^ Результаты испытаний бетонов различного состава на сжатие

№ состава

Состав бетона
(тип и расход)

Осадка конуса, см

Прочность бетона при сжатии, МПа, в возрасте, сут.

Цемент ПЦ М500, кг/м3

Щебень

Песок,

кг/м3

Вода, л/м3
(В/Ц)

Добавка, (%*)

1

3

28

1

390

1050

700

195
(0,5)

-

5

6,3

(0,195) **

14,8

(0,46)

32,3


2

390

1050

700

185
(0,47)

«Реламикс-2» (1,0%)

18

14,3 (0,36)

25,4 (0,65)

39,2

3

390

1050

700

185
(0,47)

«Biseal SCC»
(0,8%)

19

16,2 (0,38)

32,5 (0,75)

43,2

4

390

1050

700

185
(0,47)

«SikaViscoCrete» (1,0%)

16

15,1 (0,32)

34,3 (0,73)

47,0

Примечания: * - масса добавки в процентах от массы цемента; ** - значение отношения RT/R28.


Сравнение результатов испытаний контрольных образцов (состав 1) с модифицированными показывает, что включение комплексов «Реламикс-2», «Biseal SCC» и «SikaViscoCrete» в объеме 0,8 - 1,0% от массы цемента обеспечивает быстрый рост прочности бетона возрасте 1 - 3 суток (32 - 75% от 28-суточной), а также увеличение проектной прочности на 12,9 - 31,9%. Выполненные по полученным данным расчеты показывают, что условие (2) для составов № 2 - 4 выполняется. Это доказывает возможность его соблюдения на практике при применении модифицированных бетонов, при этом концентрацию добавок следует увеличивать при уменьшении продолжительности проходческого цикла.

Эффективным решением по повышению прочностных свойств крепи в проектном возрасте является применение сталефибробетонов. В результате испытаний составов бетона с включением стальной фрезерованной фибры «VULKAN HAREX» установлено, что включение фибры в количестве
40 - 160 кг/м3 в бетон позволяет увеличить прочность материала на сжатие в 1,09 - 1,45 раз, а прочность на растяжение при изгибе в 1,06 - 2,56 раз, при этом с увеличением процентного содержания фибры Rсж возрастает по параболической, а Rи – по гиперболической зависимости.

Проведенное на основе полученных данных математическое моделирование показывает, что в условиях действия равномерных нагрузок на крепь запас несущей способности сталефибробетонной крепи больше чем монолитной бетонной той же толщины в 1,12 - 1,18 раз, а при действии неравномерных по величине нагрузок больше в 1,89 - 2,0 раза (рис. 2).



^ Рис. 2. Запас несущей способности крепи при различной величине
коэффициента неравномерности нагрузок:


1 – монолитная бетонная крепь толщиной 250 мм;

2 – сталефибробетонная крепь толщиной 250 мм


.При этом в обоих случаях запас несущей способности сталефибробетонной крепи по отношению к бетонной нелинейно возрастает с уменьшением модуля сдвига вмещающих пород.

После исчерпания резервов по повышению несущей способности крепи путем управления прочностью бетона, а также при необходимости восприятия части нагрузок, развивающихся во времени и обусловленных деформированием и ползучестью горных пород, в качестве дополнительного решения по усилению крепи предлагается установка анкеров контактного типа через возведенную ранее крепь.

Анкера представляют собой металлический стержень, изготовленный из стали периодического профиля классов А-300, А-400, не имеющий опорной плиты. Для обеспечения надежной связи системы «анкер–бетон–порода» закрепление стержня анкера производится по всей длине шпура. В качестве вяжущего материала используется цементно-песчаная смесь. В случае необходимости быстрого включения анкеров в работу возможно применение патронов с быстротвердеющим полимерным материалом.

Эта технология была успешно применена при ремонте ряда вертикальных стволов, однако не имеет комплексного научного обоснования. С целью проверки эффективности упрочнения монолитной бетонной крепи анкерами описанной конструкции было проведено математическое моделирование работы комбинированной крепи в различных условиях. Полученные в результате расчетов данные показали, что анкерное упрочнение существенно изменяет картину распределения нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи. Если в крепи без анкеров происходит нарастание напряжений от внешних слоев к внутренним, то при упрочнении анкерами происходит выравнивание напряжений по сечению крепи.

Для количественной оценки эффективности анкерного упрочнения монолитной бетонной крепи предложен коэффициент упрочнения, определяемый из отношения

(3)

где ?*m – средние значения нормальных тангенциальных напряжений в сечении крепи, упрочненной анкерами; ?m – средние значения нормальных тангенциальных напряжений в обычной бетонной крепи в аналогичных условиях.

Установлено, что коэффициент упрочнения при закреплении штанг по всей длине шпура зависит от основных параметров анкерной крепи: возрастает по параболической зависимости при увеличении длины анкеров, плотности их установки; линейно возрастает при увеличении диаметра стержня анкера. Также выявлена степенная зависимость коэффициента Купр от параметра Gср, представляющего собой средний модуль сдвига упрочняемого объема крепи и пород и определяемого из выражения

(4)

где ^ L – длина анкеров, м; G0, G1 – соответственно модуль сдвига пород и крепи, МПа; t – толщина бетонной крепи, м.


На основании установленных зависимостей и статистической обработки данных получены корреляционные формулы по определению коэффициента упрочнения Купр в различных условиях. Для их более удобного использования при выполнении расчетов построены соответствующие номограммы (рис. 3).





Рис. 3. Номограмма для определения коэффициента Купр при плотности установки
анкеров из арматурной стали А-400 Р=2,0 анк./м2



С точки зрения технико-экономической эффективности оптимальные параметры упрочняющей анкерной крепи составляют: длина анкеров –
1,5 - 2,5 м, плотность установки – 1,0 - 2,0 анк./м2. Установка анкеров с такими характеристиками позволяет уменьшить величину средних нормальных тангенциальных напряжений в бетоне крепи, развивающихся в процессе взаимодействия с породным массивом, до 15 - 19 %, а в наиболее нагруженном внутреннем слое крепи – до 28%.

Для практических целей разработан алгоритм определения параметров крепи вертикальных стволов при реализации предлагаемых решений по повышению ее несущей способности, основанный на общепринятых положениях механики подземных сооружений и результатах проведенных ранее исследований.

Величину средних нормальных тангенциальных напряжений в монолитной бетонной крепи, упрочненной анкерами, можно определить по формуле

(5)

где * корректирующий коэффициент, учитывающий отставание возведения крепи от обнажения пород и физическую нелинейность деформаций массива до возведения крепи;  – коэффициент бокового распора пород; – средний объемный вес вышележащей толщи пород, кН/м3; Н – глубина ствола, м; с – коэффициент, характеризующий толщину монолитной бетонной крепи: 1коэффициент вида напряженного состояния; r1, r2 – наружный и внутренний радиусы бетонной крепи ствола, м.

На основании выполненных исследований разработана технологическая карта возведения анкерно-бетонной крепи в вертикальных стволах при совмещенной схеме проходки, предусматривающая установку упрочняющей анкерной крепи с полка одновременно с монтажом проходческих коммуникаций. Общая продолжительность проходческого цикла составляет 30 ч, что значительно меньше, чем при креплении стволов монолитной железобетонной крепью.

Оценка технико-экономической эффективности разработанных решений показала следующее.

Замена монолитной бетонной крепи стандартного состава на бетонную крепь с включением химической добавки «Реламикс-2» позволяет уменьшить затраты на крепление ствола в 1,12 - 1,23 раза за счет уменьшения толщины крепи в 1,5 - 1,61 раз, при этом с увеличением значения критерия устойчивости пород величина относительного снижения затрат возрастает по параболической зависимости.

Замена монолитной бетонной крепи на сталефибробетонную крепь позволяет уменьшить толщину крепи в 2,0 - 2,4 раза, обеспечив благодаря этому, несмотря на значительное удорожание 1 м3 бетона, снижение затрат на крепление стволов в породах III - IV категории устойчивости.

Внедрение предложенных решений выполнено при разработке проекта строительства вентиляционно-вспомогательного вертикального ствола подземного рудника «Удачный» АК «Алроса». Переход на новый вариант анкерно-бетонной крепи позволил уменьшить объем выемки породы на 9,1%, снизить расход бетона на возведение крепи на 41,54%. Полученный в результате расчетов экономический эффект составил 6,7 млн. руб., материалоемкость проходки снизилась на 25,9%.


заключение


Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основе математического моделирования призабойной зоны ствола, лабораторных испытаний модифицированных бетонов и сталефибробетонов, исследования системы «монолитная бетонная крепь – анкера – породный массив» содержится решение задачи повышения несущей способности крепи стволов с минимальными затратами, что имеет существенное значение для шахтного строительства.


Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Для получения достоверных данных о свойствах бетона в раннем возрасте выполнена статистическая обработка результатов испытаний бетона на прочность при сжатии по 37 составам, применяемым для крепления стволов. Установлено, что свойства бетона наиболее существенно отличаются от проектных в возрасте до 7 сут. Получены зависимости, характеризующие максимальную и минимальную интенсивность набора прочности бетона крепи стволов в раннем возрасте (коэффициенты корреляции составили 0,91 и 0,94).

2. Полученные данные о динамике набора прочности бетона легли в основу численного моделирования, выполненного методом конечных элементов с использованием программного комплекса «Лира - 9,0». С целью оценки напряженно-деформированного состояния твердеющей крепи разработана объемная конечно-элементная модель призабойной зоны ствола. В результате ее расчета в различных условиях определены величины напряжений в твердеющей крепи при варьировании прочности бетона.

3. В результате численного моделирования установлены закономерности формирования напряженно-деформированного состояния бетона крепи при отрыве опалубки в зависимости от скорости проходки ствола и скорости твердения бетона. Получена зависимость необходимой прочности бетона в момент распалубки от проектной прочности, параметров проходческого цикла, свойств пород массива и бетона.

4. Выполнены лабораторные испытания образцов бетонов различных составов с использованием современных добавок на основе суперпластификаторов. Установлено, что бетоны с включением комплексов «Реламикс-2», «Biseal SCC» и «SikaViscoCrete» в объеме 0,8 - 1,0% от массы цемента обеспечивают более быстрый рост прочности бетона в возрасте 1 - 3 суток (32 - 75% от 28-суточной), а также увеличение проектной прочности на 13 - 32%.

5. В результате лабораторных исследований прочностных свойств сталефибробетона установлено, что включение стальной фибры в количестве 40 - 160 кг/м3 в состав бетона позволяет увеличить прочность материала на сжатие в 1,09 - 1,45 раза, а прочность на растяжение при изгибе в 1,06 - 2,56 раз, при этом с увеличением расхода фибры Rсж возрастает по параболической, а Rи – по гиперболической зависимости.

6. Установлено, что в условиях действия равномерных нагрузок на крепь запас несущей способности сталефибробетонной крепи больше чем монолитной бетонной той же толщины в 1,12 - 1,18 раз, а при действии неравномерных по величине нагрузок больше в 1,89 - 2,0 раза. Эффективность крепления стволов сталефибробетоном возрастает с уменьшением модуля сдвига вмещающих пород.

7. Установлено, что анкерное упрочнение существенно изменяет картину распределения нормальных тангенциальных напряжений в бетонной крепи. Анкерные стержни выполняют роль поперечной арматуры в бетоне, работают на растяжение, препятствуя радиальному деформированию крепи. Благодаря этому происходит разгрузка внутренних слоев крепи. Для оценки упрочнения крепи анкерами введен коэффициент упрочнения. Установлены зависимости коэффициента упрочнения крепи от параметров системы анкеров, характеристик бетона и окружающих пород.

8. Разработаны рекомендации по проектированию ресурсосберегающей монолитной бетонной крепи при совмещенной схеме проходки ствола с учетом стадии набора прочности бетона в призабойной зоне ствола и подбором параметров упрочняющей анкерной крепи.

9. Разработаны технологические схемы упрочнения монолитной бетонной крепи, позволяющие производить установку анкерной крепи при проходке ствола по совмещенной схеме, а также после его прохождения на проектную глубину.

10. Выполнена оценка экономической эффективности замены монолитной бетонной крепи обычного состава на бетонную крепь с включением химической добавки «Реламикс-2», которая показала, что данное решение позволяет уменьшить затраты на крепление ствола в 1,12 - 1,23 раза, расчетную толщину крепи в 1,5 - 1,61 раз. Замена монолитной бетонной крепи на сталефибробетонную крепь позволяет уменьшить толщину крепи в 2,0 - 2,4 раза, обеспечив благодаря этому, несмотря на значительное удорожание 1 м3 бетона, снижение затрат на крепление стволов в породах III - IV категории устойчивости.

11. Для участка ствола подземного рудника «Удачный» АК «Алроса» разработан проект анкерно-бетонного крепления, позволивший снизить стоимость строительства рассмотренного участка на 6,7 млн. руб. в ценах 2006 года.


Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Армейсков В.Н. Технология возведения упрочняющей анкерной крепи при совмещенной схеме проходки // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2008. – №1. – C. 178 - 182.

  2. Армейсков В.Н. Проектирование монолитной бетонной крепи вертикальных стволов, упрочненной железобетонными анкерами // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – Отдельный выпуск № 9. – C. 164 - 168.

  3. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния твердеющей монолитной бетонной крепи в призабойной зоне ствола // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. Спецвып. Перспективы развития Восточного Донбасса. – 2006. – C. 83 - 90.

  4. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Проектирование параметров анкерно-бетонной крепи вертикальных стволов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. – 2007. – №3. – C. 87 - 89.

  5. Страданченко С.Г., Плешко М.С., Армейсков В.Н. Пути обеспечения безаварийной эксплуатации глубоких вертикальных стволов // Совершенствование технологии строительства шахт и подземных сооружений: сб. науч. тр. – Донецк: Норд-пресс, 2006. – Вып. №12. – С. 31 – 32.

  6. Плешко М.С., Армейсков 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: Материалы научно-практической конференции – Луганск: Изд-во Восточноукраинского национального университета им. В. Даля, 2006. – С. 206 - 211.

  7. Армейсков В.Н. Опыт применения анкерных крепей при проходке вертикальных стволов // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. – С. 147 - 156.

  8. Армейсков В.Н. Анализ зарубежного опыта строительства вертикальных стволов и целесообразности его использования в условиях России // Научно-технические проблемы разработки месторождений полезных ископаемых, шахтного и подземного строительства: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2006. – С. 119 - 127.

  9. Армейсков В.Н. Анализ взаимодействия комбинированной крепи вертикального ствола с массивом пород // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. – С. 102 - 106.

  10. Плешко М.С., Армейсков В.Н. Проектирование составов бетона крепи вертикальных стволов с учетом особенностей ее взаимодействия с породным массивом // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2007. – С. 106 - 111.

  11. Армейсков В.Н. Технология комбинированного крепления вертикальных стволов при совмещенной схеме проходки // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2008. – С. 222 - 228.

  12. Армейсков В.Н. Определение запаса прочности монолитной бетонной крепи, упрочненной анкерами контактного типа // Перспективы развития Восточного Донбасса: сб. науч. тр. Часть 1. – Новочеркасск: УПЦ «Набла» ЮРГТУ (НПИ), 2009. – С. 259 - 262.



^

Армейсков Виталий Николаевич



обоснование способов повышения

несущей способности крепи вертикальных
стволов на основе современных средств


ее упрочнения


Подписано в печать 03.03.2010.

Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Ризография.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,04. Тираж 100 экз. Заказ 135.


Отпечатано в Издательстве ЮРГТУ (НПИ)

346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132











Схожі:

Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconОбоснование рациональных параметров чугунно-бетонной крепи вертикальных стволов 25. 00. 22 «Геотехнология (подземная, открытая и строительная)»
«Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» на кафедре «Подземное, промышленное,...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconОбоснование технологии возведения бетонной крепи вертикальных стволов с отставанием от забоя большими заходками
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconОбоснование параметров безрасстрельной армировки вертикальных стволов на основе вероятностной оценки временных нагрузок 25. 00. 22 «Геотехнология (подземная, открытая, строительная)»
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconОбоснование параметров анкерной крепи протяженных горных выработок на основе учета срезающих усилий в анкерах
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconСмкэс-2004 удк 621. 391. 1 Самопроверяемые устройства на основе биномиальных модифицированных кодов гриненко В. В., Голофост И. В. Сумский государственный университет
Одним из способов повышения достоверности работы является введение аппаратурной избыточности за счет применения помехоустойчивых...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconНезависимо от вида сваи должно выполняться следующее условие
Рис. 13. 20 Расчетная схема определения несущей способности сваи практическим методом
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconТ. Г. Бень > А. Н. Хахоліна Н. М. Есаулова
Экономическое обоснование вариантов развития и повышения технического уровня металлургических предприятий
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconТ. Г. Бень > А. Н. Хахоліна Н. М. Есаулова
Экономическое обоснование вариантов развития и повышения технического уровня металлургических предприятий
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconОбоснование параметров двухуровневой анкерной крепи для поддержания повторно используемых выработок в условиях шахт Восточного Донбасса
Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет...
Обоснование способов повышения несущей способности крепи вертикальных стволов на основе современных средств ее упрочнения iconРеализация композиционного упрочнения в высокоуглеродистых сплавах легированием тензоактивными элементами
Ов Vа и viа подгрупп таблицы Менделеева на процессы модифицирования и кристаллизации чугуна. Показано, что жидкий чугун является...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи