CC BY
31
© А.Ю. Прокопов, 2002
УАК 622.258.3
А.Ю. Прокопов
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМ И КОНСТРУКЦИЙ БЕЗРАССТРЕЛЬНОЙ АРМИРОВКИ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ КОНСОЛЕЙ
Увеличение глубины и усложнение горногеологических условий разработки полезных ископаемых ухудшает условия работы крепи и армировки вертикальных стволов, что в ряде случаев приводит к недопустимым отклонениям стенок столов от проектного положения.
Деформации в элементах армировки, как правило, появляются на тех же участках, где деформируется крепь. Поэтому в зависимости от вида и величины деформации шахтных стволов элементы армировки приобретают разнообразную форму искривления. Кроме того, в стволах смещается ось подъема и могут измениться зазоры между максимально выступающими частями подъемных сосудов, крепью и расстрелами до величин, меньших допускаемых "Правилами безопасности".
Проведенный анализ данных профилировок проводников по 40 стволам Донецкого бассейна, не подверженных влиянию очистных работ, показывает, что наибольшее количество отклонений проводников от вертикали находится в пределах ±0-40 мм и при исключении совершенно недопустимых отклонений средняя их величина равна 15 мм. Совершенно иное положение наблюдается в стволах, подверженных влиянию очистных работ, где отклонения проводников достигают 2000 мм и выше, хотя искривления носят в основном плавный характер.
Вертикальное смещение проводников и расстрелов соответствует смещению стенок ствола, и, как правило, может быть обнаружено и своевременно устранено обычными методами. Гораздо опаснее перемещение системы "крепь-армировка" в горизонтальной плоскости. Линия угона проводников хотя в общем и повторяет профиль деформирования крепи, однако, на отдельных коротких участках расстрелы сильно деформируются, что приводит к резкому излому проводников с недопустимым смещением стыков, выходом проводников из лежек, заклиниванию подъемных сосудов. Большое значение для движения подъемных сосудов имеет не общее отклонение проводников от вертикали на значительных по величине участках ствола, а отклонения на смежных ярусах расстрелов. Кроме того, имеет значение и очертание искривленных участков, особенно в местах переходных кривых.
Произведенный анализ тахограмм подъемов по 20 стволам Донбасса показывает, что в зависимости от степени искривления армировки на отдельных участках режим работы подъемных установок разный. Скорость движения подъемных сосудов находится в пределах 4,6-8,7 м/с для клетевых подъемов и 5-10
Рис. 1. Тахограммы подъема по стволам, имеющим нарушения крепи и армировки
м/с (а в некоторых случаях до 2 м/с), причем скорость подъема резко и часто изменяется по всему стволу, что видно из некоторых приведенных ниже тахограмм (рис. 1). Все это затрудняет работу подъема и снижает его производительность.
Следует также отметить, что срок службы элементов армировки и направляющих устройств зависит от характера и степени деформаций, назначения ствола и расположения расстрелов относительно падения пород. Так, например, армировка клетевых стволов работоспособнее, чем скиповых, так как в первом случае расстрелы чаще всего не связаны между собой и при боковом давлении деформируются независимо друг от друга. В скиповых стволах расстрелы, как правило, сопрягаются между собой и деформация одного из них передается другим. Следовательно, работоспособность армировок в таких стволах значительно понижается, что в свою очередь отражается на общем режиме работы шахты. Влияние нагрузок на работоспособность армировки тем существеннее, чем сложнее условия эксплуатации, характеризующиеся наличием деформаций проводников и расстрелов, их износом, нарушением геометрических параметров и др. Особенно существенно влияние динамических нагрузок проявляется при изменениях скорости подъема и вместимости подъемных сосудов в условиях деформированной и изношенной армировки. В таких стволах для поддержания армировки в рабочем состоянии непрерывно ведутся трудоемкие работы по ее ремонту и восстановлению. Обеспечение нормальной и безопасной работы подъемных установок может быть достигнуто правильным выбором схемы армировки и конструктивными мерами защиты.
Основным направлением в разработке конструктивных мер защиты армировки является оборудование ее узлами осевой и радиальной податливости, конструкция которых принимается исходя из горногеологических условий и конструктивных особенностей крепи и армировки. Осевая податливость предусматривается в случае вертикального укорочения или удлинения стволов и их искривления, так как при этом происходит либо изгиб проводников, либо разрыв их в местах стыковки. Указанные нарушения могут приво-
дить к заклиниванию подъемных сосудов или к выходу их из проводников. На эксплуатационных шахтах устранение деформаций в проводниках производится путем отреза куска проводника при помощи бензореза. Но такой способ опасен и не всегда применим. Наиболее целесообразно в таких стволах применять компенсирующие узлы податливости, которые при эксплуатации армировки могут легко заменяться.
Сложнее обеспечить податливость армировки в радиальном направлении, так как не всегда возможно, так как не всегда возможно восстановить проводники в вертикальное положение из-за значительных относительных деформаций крепи и искривления стволов, а также необходимости обеспечения в стволе минимально допускаемых "Правилами безопасности" зазоров между подъемными сосудами и крепью ствола. Для поддержания работоспособности армировки на ряде эксплуатационных шахт производятся ремонтные работы, связанные с заменой деформированных элементов армировки, перезаделкой концов расстрелов в крепи ствола и т.п., с тем, чтобы несколько отрихто-вать проводники на искривленных участках. На некоторых стволах уже в период эксплуатации в элементах армировки устраивают узлы податливости, для чего вблизи крепи вырезают часть расстрела и скрепляют образующиеся его части металлическими накладками с продольными отверстиями. Для рихтовки проводников на расстрелах устраивают передвижные лежки. Но такие ремонтные работы не всегда обеспечивают надежность и безопасность работы подъемных установок. Поэтому при армировании стволов необходимо заранее предусматривать установку конструкций с регулируемым креплением расстрелов и проводников, позволяющих восстанавливать проводники в вертикальное положение. При невозможности восстановления проводников строго в вертикальное положение допускается искривление проводников на отдельных участках при соблюдении следующего условия:
— < 0,005,
Н
где А - стрела прогиба проводников на искривленном участке одного яруса, м; H- длина искривленного участка, м.
Такое отношение должно соблюдаться с целью ограничения нагрузок на армировку и допускаемых максимальных отклонений проводников, которые не должны превышать 5 мм на двух смежных ярусах расстрелов при шаге армировки 4168 мм. Следовательно, при таком соотношении искривленные участки проводников могут вписываться в кривые только с радиу-г2
8А
т.е. при радиусе кривой не менее
1750 м.
Проведенные обследования ряда стволов шахт Донбасса показали, что в стволах, где имеются искривленные участки проводников с соотношением А/Н<0,005, подъемные установки работают с постоянным режимом без замедления. Таким образом, специ-
Рис. 2. Конструкция регулируемой консольной опоры для крепления проводников: 1 - консоль; 2 - болт; 3 - подвижные уголки; 4 - проводник
альные конструкции регулируемого крепления элементов армировки позволяют создавать плавные кривые при значительных искривлениях ствола или его отдельных участков, выдерживать допускаемые по "Правилам безопасности" зазоры между подъемными сосудами, крепью и расстрелами, повышают производительность и безопасность работы подъемных установок.
Одним из направлений защиты армировки является рациональный выбор схемы армировки, которая должна учитывать возникающее в процессе проходки ствола и эксплуатации месторождения перераспределение напряжений в горном массиве и прогнозируемое преобладающее направление горизонтальных и вертикальных деформаций пород. Наиболее перспективными и совершенными, как с точки зрения материалоемкости, трудоемкости и стоимости монтажа, так и возможности защиты от влияния сложных горногеологических условий, являются безрасстрельные (малорасстрельные) схемы и конструкции армировки.
В настоящее время разработан и частично апробирован на практике ряд новых технических решений по проектированию схем и конструкций армировки, который включает как облегченные (консольные, кон-соль-но-распорные) жесткие конструкции с креплением анкерами, предназначенные для благоприятных горно-геологических условий [1], так и конструктивные решения армировки для сложных условий [2, 3]. К последним можно отнести регулируемые конструкции консольных армировок (рис. 2), а также пространственные конструкции жесткой армировки с опиранием усиленных ярусов выше и ниже зоны ожидаемых нарушений крепи.
Наиболее предпочтительными, с точки зрения защиты армировки, являются безрасстрельные схемы с боковым односторонним расположением проводников (рис. 3). При этом продольные оси консолей должны проектироваться в направлении ожидаемых сдвижений поперечного сечения ствола.
Указанные схемы предусматривают крепление элементов армировки анкерами, причем опорная плита плотно прижимается анкерами к стенке ствола, а возможность регулирования длины консоли, в случае радиального отклонения крепи ствола от проектного по-
Рис. 3. Безрасстрельные схемы армировки клетевых стволов с односторонним расположением проводников
ложения, обеспечивается ее составной конструкцией.
Конструктивно консольные расстрелы представляют собой металлические балки, состоящие из двух отрезков двутаврового или коробчатого профиля. Один из отрезков имеет на конце приваренную опорную плиту с отверстиями под штанги анкеров и жестко крепится анкерами к бетонной крепи ствола. Второй отрезок консоли крепится к жестко установленному с помощью болтовых соединений, причем отверстия под болты имеют форму овала, вытянутого в направлении продольной оси балки, что позволяет регулировать положение консоли. Приведенные схемы отличаются обособленностью элементов армировки друг от друга, что позволяет регулировать необходимую консоль, не изменяя положения остальных элементов яруса. Кроме того одностороннее расположение проводников исключает возможность заклинивания подъемных сосудов между проводниками в случае их отклонения от проектного положения.
Однако область применения консольных армировок ограничена их максимально допустимой длиной, при превышении которой не обеспечивается требуемая жесткость консоли, что приводит к недопустимым деформациям консоли при воздействии на армировку эксплуатационных нагрузок от движущихся подъемных сосудов. Максимально допустимая длина одинарной консоли зависит от шага армировки и интенсивности подъема I, Дж, определяемой из соотношения 1 = тУ
где т и V- соответственно масса, кг, и скорость движения, м/с, груженого подъемного сосуда.
Значения максимально возможных длин консолей в зависимости от интенсивности подъема, типа проводников и шага армировки приведены в табл. 1 и 2. При необходимости превышения найденных значений длин одинарных консолей целесообразно проектировать консольно-распорные армировки, обеспечивающие безопасность клетевого подъема с высокой интенсивностью.
Как видно, консольные армировки в чистом виде могут применяться только при малой и средней интенсивности подъема. Однако наметившаяся тенденция к одновременному увеличению массы подъемного сосуда и его скорости движения требует повышения жесткости конструкции армировки, которая должна воспринимать высокие динамические нагрузки от большегрузных клетей или скипов. Для обеспечения безопасной эксплуатации клетевых и скиповых подъемов с высокой интенсивностью и одновременной возможности регулирования положения элементов армировки предлагается податливая консольно-распорная конструкция (рис. 4), предусматривающая узлы регулирования длины консоли и распора, а также узел регулируемого крепления крепления консоли к распору. Конструкция позволяет изменять угол между консолью и распором и изменять положение консоли относительно проводника.
Такая армировка объединяет в себе преимущества известных консольно-распорных армировок (высокая жесткость в горизонтальной плоскости, обеспечивающая практически любую интенсивность подъема, сравнительно небольшая металлоемкость, низкое аэродинамическое сопротивление вследствие расположения элементов непосредственно у стенок ство-ла и высвобождения центральной части сечения и т.д.) и консольных регу-
Таблица 1
АОПУСГИМЫЕ АЛИНЫ КОНСОЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСОЛЬНЫХ АРМИРОВОК (АЛЯ РЕЛЬСОВЫХ ПРОВОАНИКОВ)
Интенсивность подъема, Дж Максимально допустимая длина консоли 1, мм при шаге армировки Ь, м
2 - 3 3 - 4 4 - 5 > 5
< 1106 400 440 500 600
1106 н1,44-106 350 400 490
1,45-106 +1,73-106 консольно - 350 440
1,74-10б н 2,16-106 распорная 380
>2,16-106 армировка
Таблица 2
АОПУСГИМЫЕ АЛИНЫ КОНСОЛЕЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЧИСТО КОНСОЛЬНЫХ АРМИРОВОК (АЛЯ КОРОБЧАТЫХ ПРОВОАНИКОВ)
Интенсивность подъема, Дж Максимально допустимая длина консоли 1, мм при шаге армировки Ь , м
2 - 3 3 - 4 4 - 5 > 5
<1-106 - 2200 1500 1100
1-106 н 1,44-106 1000 1200 1000 900
1,45-106 н 1,73-106 600 800 750 750
1,74-106 н 2,16-106 450 600 600 650
2,17-106 н2,88-106 350 500 500 550
2,89-106 н 3,6-106 420 430 460
3,61-106 н 4,32-106 консольно - 350 370 410
4,33-106 н 5,04-106 распорная 380
>5,04-106 армировка
лируемых армировок (конструктивная независимость от других консолей и расстрелов яруса, повышение
Рис. 4. Принципиальная схема консольно-распорной регулируемой армировки с креплением анкерами: 1 - анкер; 2 - узел регулирования положения консоли; 3 - узел регулирования положения распора; 4 - регулируемый узел крепления консоли к распору
точности монтажа,
возможность регулирования в случае радиальных отклонений и т.д.).
Ее использование позволяет значительно повысить ремонтопригодность армировки, в несколько раз увеличить жесткость конструкции при незначительном повышении металлоемкости, повысить точность и технологичность монтажа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прокопов А.Ю. Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки: Автореф. дис. ... канд. техн. наук - Тула, 1998.
2. Страданченко С.Г. Технология армирования вертикальных стволов
на участках родного массива:
деформирующегося по-Автореф. дис. . канд. техн. наук - Тула, 1998.
3. Ягод.кин Ф.И, Страданченко С.Г., Прокопов А.Ю. Защита армировки вертикальных стволов от влияния сложных горно-геологи-ческих
условий// Научно- технические проблемы строительства и охраны горных выработок: Сб. науч. тр. / Ново-черк. гос. техн. ун - т. Новочеркасск, 1996. - С. 18 - 24.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Пркопов А.Ю. - Южно-Российский государственный технический университет.
© А.А. Шубин, 2002
УАК 691.327.
А.А. Шубин
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ АРМИРОВАНИЯ БЕТОНА НА НАПРЯЖЕННО-АЕФОРМИРОВАННОЕ ОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИЙ
пыт использования бетона в конструкциях, применяемых в поверхностном и шахтном строительстве, предопределяет обеспечение полноты учета влияния условий эксплуатации сооружений на кинетику изменения его свойств. Бетон как материал для различных конструкций (крепей, плит, обделок и т.п.) должен обладать определенными, наперед заданными физикомеханическими свойствами: необходимой прочностью, хорошим сцеплением, достаточной плотностью для защиты от коррозии, а также, в ряде случаев, некоторой степенью деформируемости без потери несущей способности.
При изучении прочности и деформации твердых тел, в частности бетона и железобетона, большое внимание уделяется механизму разрушения и этих материалов, пониженной в сотни раз по сравнению с теоретической прочностью кристаллической решетки составляющих их минералов. Интерес к исследованию разрушения бетона и железобетона связан, в первую очередь, с тем, что в процессе деформирования этих
материалов большую роль играет фактор времени. С ростом напряжений и увеличением длительности действия нагрузки упругие деформации перерастают в необратимые и вязкопластические, которые могут привести к нарушению сплошности, т.е. разрушению.
Как показывают исследования [1], зарождение очагов разрушения связано с пластической деформацией, причем макроразрушению материалов предшествуют сложные микроскопические процессы накопления повреждений. Бетоны относятся к материалам с так называемой "несовершенной" структурой: большим количеством пор, включений, трещин, разнообразием состава. Это определяет широкий спектр проявления физической сущности процессов ползучести и разрушения. Для бетонов с хорошим сцеплением между составными компонентами главной особенностью является появление и развитие микротрещин.
На стадии преобразования микротрещин в магистральную трещину, при работе бетона на сжатие, существенную роль играют силы внутреннего трения. Они, подобно арматуре, сдерживают местные поперечные деформации, распределяя их более равномерно по всему сечению модели и не допуская лавинообразного развития первой трещины. Вместо нее образуется множество мелких трещин. Внешне это проявляется в
