авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Параметров чугунно-бетонной крепивертикальных стволов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Масленников СтаниславАлександрович

Обоснованиерациональных параметров

чугунно-бетонной крепивертикальных стволов

25.00.22 – «Геотехнология(подземная, открытая истроительная)»

Автореферат диссертациина соискание ученой степени

кандидата техническихнаук

г. Новочеркасск – 2009 г.

Работа выполнена в Шахтинскоминституте (филиале) государственногообразовательного учреждения высшегопрофессионального образования«Южно-Российский государственныйтехнический университет (Новочеркасскийполитехнический институт)» на кафедре«Подземное, промышленное, гражданскоестроительство и строительныематериалы».

Научныйруководитель: доктор технических наук,профессор

Страданченко СергейГеоргиевич

Официальныеоппоненты доктор технических наук,профессор

Савин Игорь Ильич

кандидат технических наук

Нечаенко ВикторИванович

Ведущаяорганизация ЗАО «ОШК«Союзспецстрой»

Защита состоится «6»июля 2009 г. в 10.00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.304.07 приЮжно-Российском государственномтехническом университете (Новочеркасскомполитехническом институте) по адресу 346428,г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132,ЮРГТУ(НПИ), аудитория 107. тел.\факс :(863-52) 2-84-63,e-mail : ngtu@novoch.ru.

С диссертацией можноознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО«Южно-Российский государственныйтехнический университет (Новочеркасскийполитехнический институт)», савторефератом – на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «1» июня 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационногосовета Колесниченко Е.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАРАБОТЫ

Актуальность работы.В настоящее времягорнодобывающая отрасль России выходит изсостояния кризиса середины 90-х годов.Строятся новые, реконструируются старыепредприятия. В сложном комплексетехнологически взаимосвязанныхкапитальных, подготовительных и очистныхвыработок горного предприятия особоеположение занимают вертикальные стволы. Вовремя строительства они, находясь накритическом пути, в значительной мереопределяют продолжительность сооруженияшахты в целом. Во время эксплуатации,являясь главной транспортной,вентиляционной и коммуникационноймагистралью, связывающей подземный иповерхностный комплексы в единую систему,обусловливают надёжность ибесперебойность работы горногопредприятия.

Исчерпание запасовполезного ископаемого, находящегося нанебольшой глубине (до 300 м) и залегающего вблагоприятных горно-геологическихусловиях, привело к тому, что всё большеезначение приобретает добыча сырья врайонах распространения вечной мерзлоты,повышенного горного давления на большихглубинах (св. 700 м), зонах геологическихнарушений, при высоком гидростатическомнапоре. В подобных условиях применение присооружении вертикальных стволов наиболеераспространённых (96-98% от среднегодовогообъёма проходки стволов в горнойпромышленности во второй половине ХХ века)монолитной бетонной и железобетоннойкрепей часто нерационально или невозможно.

В настоящее время около200 стволов, закреплённых бетоном, имеютнарушения крепи. Попытки повышения несущейспособности за счёт увеличения толщины илипрочностных характеристик бетона непозволяют существенно расширить областьих применения. В слабых, обладающих высокойстепенью ползучести породах принеобходимости обеспечения качественнойгидроизоляции часто наиболее приемлемымвариантом оказывается возведениекомбинированной чугунно-бетонной крепи. Впоследние 5-10 лет такое решение принимаетсявсё чаще, как, например, при строительствестволов рудников «Мир», «Удачный»,«Таймырский», ГОКа «Гайский» и др.

Данный вид крепи, широкораспространённый в 50-60-х годах прошлоговека, в последующие 40-50 лет использовалсякрайне редко и в необоснованно зауженномдиапазоне условий. В значительной мере этообъясняется недостаточной проработкойотдельных теоретических вопросов, впроектировании, и практических, ввозведении такой крепи. Так, если основныепроблемы монолитной бетонной крепидостаточно изучены, то по чугунно-бетоннойкрепи, несмотря на всё возрастающуюпотребность, ситуация прямопротивоположная.

Таким образом,поставленные в данной диссертации вопросыо повышении несущей способности,технологичности возведения иэкономичности чугунно-бетонной крепиявляются актуальными и особо востребованыв современном подземном строительстве.Общие выводы и установленные зависимостипредставляют интерес и имеют значительныеперспективы внедрения во всех областяхподземного строительства, связанных спроходкой вертикальных стволов в сложныхусловиях.

Данная диссертационнаяработа выполнялась по госбюджетнымнаучно-исследовательским темам П 53-801«Разработать средства и способы крепленияи охраны горных выработок и обеспечениябезопасности труда на горных и строящихсяпредприятиях», П3-846 «Разработатьресурсосберегающую технологиюстроительства предприятий». В рамкахпроведённых исследований автором былиполучены два гранта, выделяемые совместногерманской службой ДААД и Минобрнауки попроектам: «Научное обоснование параметровресурсосберегающих конструкций крепи иармировки глубоких вертикальных стволов»(2006 г.) и «Обоснование применениявысокомодульных бетонов в комбинированнойчугунно-бетонной крепи» (2008 г.).

Цель работы заключается в обоснованиирациональных параметров чугунно-бетоннойкрепи, обеспечивающих безопасную ибезаварийную эксплуатацию вертикальныхстволов в сложных горно-геологическихусловиях.

Идея работы заключается в перераспределениинапряжений между слоями комбинированнойкрепи равнопропорционально пределупрочности их материалов за счёт применениябетонов с повышенным модулем деформациидля повышения несущей способности иснижения материалоёмкости.

Задачиисследования:

  • теоретическое и экспериментальноеобоснование рациональных конструктивныхпараметров чугунно-бетонной крепи;
  • разработка методики расчётарациональных параметров чугунно-бетоннойкрепи;
  • разработка и обоснование технологиикрепления с использованием бетонов суказанными свойствами;
  • определение области применениярезультатов исследования;
  • определение технологической иэкономической целесообразностиприменения предлагаемых параметров крепис её возведением по разработаннойтехнологии.

Методы исследований.Применён комплексный методисследования, включающий: системный анализи научное обобщение литературныхисточников, результатов исследованийдругих авторов и производственного опыта,обработку массива данных, полученных врезультате исследований с использованиемметодов статистики и теории вероятности,математическое моделирование, а такжетехнико-экономические расчёты.

Достоверность научных положений, выводов ирекомендаций обеспечивается объемоманализируемой информации о фактическомсостоянии проходки (46 стволов),подтверждается статистическим анализомданных с использованием апробированныхпрограммных средств, корректностьюпостановки задач, использованиемматематического моделирования, базовыхположений методов расчёта,рекомендованных нормативными документами,а также удовлетворительной степеньюточности при получении зависимостейметодом аппроксимации (не ниже 0,97).

Практическая ценностьработы заключается вразработке методики расчёта рациональныхпараметров чугунно-бетонной крепи итехнологии её возведения.

Апробация работы.Содержание и отдельныеположения диссертации обсуждены иодобрены на Международных научныхсимпозиумах «Неделя горняка» (МГГУ, г.Москва, 2007, 2009 гг.), Международнойнаучно-практической конференции«Совершенствование технологиистроительства шахт и подземныхсооружений» (ДонНТУ, г. Донецк, Украина, 2008,2009 г.), 3-й Международнойнаучно-практической конференции молодыхучёных, аспирантов и студентов«Перспективы освоения подземногопространства» (Национальный горныйуниверситет, г. Днепропетровск, Украина, 2009г.), региональных и международныхнаучно-практических конференциях«Перспективы развития ВосточногоДонбасса» (ШИ (ф) ЮРГТУ(НПИ), г. Шахты, 2005– 2009 гг.),научных семинарах кафедры «Подземное,промышленное, гражданское строительство истроительные материалы» ШИ (ф) ЮРГТУ(НПИ).

На защиту выносятсяследующие основные научныеположения:

  • устойчивое состояниечугунно-бетонной крепи обеспечиваетсярегулированием деформационных свойствбетонной составляющей в системе«тюбинг-бетон-порода»;
  • величина рациональногомодуля деформации бетона устанавливаетсяв зависимости от диаметра ствола,геометрических и прочностныххарактеристик слоёв бетона и чугуна, атакже предпочтительного уровняиспользования прочностных свойств бетонаи тюбингов и ; приусловии равенства этих критериевсуществует единственное рациональноезначение модуля деформации бетона;
  • доказано, что параметрытехнологии возведения чугунно-бетоннойкрепи вертикальных стволовустанавливаются в зависимости от величинырационального модуля деформациибетона.

Научная новизна исследованийзаключается в следующем:

  • установлено, чтоповышение модуля деформации бетона должнодостигаться применением более жёсткихсмесей и повышением размера крупногозаполнителя, а не использованием болеепрочных бетонов;
  • получена зависимостьвеличины рационального модуля деформациибетона от диаметра ствола, геометрическихи прочностных характеристик слоёв;
  • разработана технологиявозведения комбинированной крепи попараллельной схеме, отличающаяся сокращённым отставанием установки тюбингов, от забоя ствола, уменьшеннойтолщиной передового бетона и общего объёмавынимаемой горной массы, а такжеусовершенствованной конструкциейпроходческого полка, и обеспечивающаяповышение скорости проходки.

Научное значение работызаключается в разработкеметода расчёта рациональных параметровчугунно-бетонной крепи вертикальныхстволов, обеспечивающих максимальнуюнесущую способность, снижение стоимости иувеличение скорости её возведения.

Практическое значениеработы заключается в:

  • разработке методики проектированиячугунно-бетонных крепей при использованиибетонов с повышенным модулемдеформации;
  • разработке технологии креплениявертикальных стволов чугунно-бетоннойкрепью, с повышенным модулем деформациибетона;
  • определении области примененияпредлагаемой конструкции крепи итехнологии её возведения.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 11работ, в том числе 3 статьи в изданиях,рекомендованных ВАК РФ, 3 – за рубежом, 8 безсоавторов.

Структура и объемработы: диссертационнаяработа состоит из введения, пяти глав изаключения, изложенных на 119 страницахмашинописного текста, содержит 31 рисунок, 31таблицу, список использованной литературыиз 81 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Вопрос обеспечениябезаварийности спуска-подъёма людей,материалов, выдачи горной массы,необходимого режима вентиляции, сниженияводопритоков при эксплуатации стволов всложных условиях наиболее эффективнорешают применением многослойныхконструкций крепи. Значительный вклад врешение многих задач в данной областиисследований был внесён работамиБорисовца В.А., Булычева Н.С., Волоха Н.П.,Заславского Ю.З., Зубкова А.В., Боликова В.Е.,Кзела А.М.,Крупенникова Т.А., Крылова И.В., НазаренкоН.В., Назаренко Ю.Б., Протосени Л.Г.,Рубана М.Е., Руппенейта К.В., Савельева А.И.,Садовенко И.А., Сдвижковой Е.А., ФедунцаБ.И., Фотиевой Н.Н., Шашенко А.Н., ЯгодкинаФ.И., Южанина И.А. и мн. др. Как показалпроведённый анализ опыта строительства иэксплуатации вертикальных стволов вслабых, несвязных, проявляющих длительнуюустановившуюся ползучесть породах, приналичии высоконапорных подземных вод вусловиях горнорудной, калийной,каменноугольной промышленности наиболеераспространённый тип комбинированныхкрепей –чугунно-бетонная, при существующем подходек проектированию, не обеспечиваетэкономичности расхода материалов,приводит к завышению диаметров стволов (на1,5-2 м), имеет высокую стоимость итрудоёмкость возведения, а применяемые приэтом технологии не позволяют достичьнормативных скоростей проходки (впоследних проектах до 30-40 м/мес) исдерживают более широкое применениеуказанной крепи.

Проведённые авторомисследования по изучению особенностейработы чугунно-бетонной крепи позволиливыявить возможность повышения несущейспособности и экономической эффективностиеё применения за счёт более рациональногораспределения нагрузок и более полногоиспользования несущей способности каждогоиз слоёв. Например, для характерных условийскипового ствола рудника «Мир», гдеобычная чугунно-бетонная крепьвозводилась по совмещённойтехнологической схеме, напряжения междуслоями, по мере роста нагрузки,распределяются следующим образом (см. рис.1).

 Рисунок 1- Зависимость измененияотносительных напряжений в -3

Рисунок 1- Зависимость измененияотносительных напряжений в двухслойнойчугунно-бетонной крепи () приросте эквивалентных напряжений (Рeq)

Ряд 1 – рост относительных напряжений (%) навнутренней стороне внутренних рёберчугунных тюбингов.

Ряд 2 – рост относительных напряжений (%) навнутренней поверхности слоя бетона.

Как видим с ростомнагрузки на крепь напряжения в бетоне ичугуне линейно нарастают, при этомнаиболее благоприятное их распределениедостигается при величине эквивалентныхнапряжений () менее 1,5 МПа ивеличине относительных менее 15% отпредельных. При достижении напряжениями, врёбрах тюбингов, предельных значений (при, )использование несущей способности бетонасоставляет менее 50% (при,). Таким образом можносделать вывод о неэффективности работыбетона, несущая способность которогоиспользуется не в полной мере, и крепь внаиболее рациональном режиме работает принизких напряжениях (менее 15% отпредельных).

Сходный характер работывыявлен и при возведении чугунно-бетоннойкрепи с передовым бетоном. Полагая, наоснове фактических данных, нагружениебетона на этапе раздельного восприятиянапряжений возможным до величины , видим следующее (см. рис. 2). То есть ив этом случае чугун достигает предельногосостояния при напряжениях во внешнем слоебетона , и соответственно егонесущая способность используется не вполной мере и нерационально.

 Рисунок 2 - Зависимостьизменения относительных напряжений втрёхслойной -12

Рисунок 2 - Зависимостьизменения относительных напряжений втрёхслойной чугунно-бетонной () при росте эквивалентныхнапряжений (Рeq)с учётом возведения передовогобетона

Ряд 1 – рост относительныхнапряжений (%) на внутренней стороневнутренних рёбер чугунных тюбингов.

Ряд 2 – рост относительныхнапряжений (%) на внутренней поверхностивнутреннего слоя бетона.

Ряд 3 – рост относительныхнапряжений (%) на внутренней поверхностивнешнего слоя бетона с учётом возведенияпередового бетона.

Основной причиной стольнеблагоприятного распределениянапряжений в крепи помимо использованияпри проектировании обычного бетонаявляется снижение деформационныххарактеристик последнего в результатевлияния особенностей его спуска, укладки иработы. При анализе описанного опыта,проведённых натурных наблюдений и замеров,выполненных при проходке скипового стволарудника «Мир», были выявлены следующиеосновные факторы, отрицательно влияющие насвойства бетона:

1. В рамках применяемойтехнологии спуск бетонной смеси выполняютпо трубопроводам, а укладку производятчерез отверстия в тюбингах, чтонакладывает существенные ограничения(подвижность, размер крупного заполнителя)на её состав, которые отрицательно влияютна деформационные характеристикибетона.

2. Бетон, находящийсямежду породой и чугуном, работает вусловиях объёмного напряжённогосостояния, при этом величина модулядеформации бетона снижается до 50%.

3. Под воздействиемдлительно действующей нагрузки бетонактивно проявляет реологические свойства,значительно изменяя в сторону снижениядеформационные характеристики, замеренныепри мгновенном нагружении.

Таким образом, для болееэффективного использования материалов,повышения несущей способности иэкономической эффективностииспользования чугунно-бетонной крепинеобходимо изменить существующую практикуи использовать бетоны не с пониженным, всилу технологических особенностейвозведения, а с повышенным модулемдеформации. Для этого существует двеосновные возможности: использованиебетонов более высокого класса попрочности, или тех же по прочности, но сповышенным модулем деформации. С учётомуказанного выше был рассмотрен характернагружения слоёв чугунно-бетонной крепипри применении различных бетонов. Дляпримера ниже приведён результат сравнения4-х видов, наиболее характерных извыбранных первоначально: обычный, чащевсего применяемый, бетон класса В20 попрочности; с повышенным модулем деформацииВ20; используемый при креплении стволов зарубежом бетон класса В40; В40 с повышенныммодулем деформации. Для наглядноститолщина слоя бетона подобрана такимобразом, чтобы несущая способность крепиоставалось примерно одинаковой (разница неболее 2,5%). Результат см. рис. 3.

Как видим из графиков,применение высокопрочных бетонов (ряд 3-4)либо того же класса по прочности, но сповышенным модулем деформации (ряд 5-6)позволяет снизить толщину крепи присохранении несущей способности. При этом впоследнем случае достигается болеерациональное распределение напряжениймежду слоями, для бетона это при достижении предельного состояниячугуном, в рёбрах тюбингов. Сравнивая поаналогии, видим, что использованиевысокопрочного бетона приводит к снижениюотносительного загружения до , т.е. материал используется менееэффективно.

Выполненноеисследование характера работычугунно-бетонной крепи, при существующемподходе в её проектировании и возведениипозволило сделать следующие выводы.

1. При существующихпараметрах чугунно-бетонных крепейнесущая способность бетона используетсянеэффективно.

2. Повышения модулядеформации бетона с точки зренияэффективности использования материаловрациональнее добиваться применением болеежёстких смесей и повышением размеровкрупного заполнителя, а не использованиемболее прочных бетонов.

 Распределениенапряжений в чугунно-бетонной крепи взависимости -16

Рисунок 3 - Распределениенапряжений в чугунно-бетонной крепи взависимости от класса бетона и толщиныслоя



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.