CC BY
25
-------------------------------- © С.Г. Страданченко, М.С. Плешко,
2009
УДК. 622.258.3.
С.Г. Страданченко, М.С. Плешко
ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК,
ПЕРЕДАВАЕМЫХ ЖЕСТКОЙ АРМИРОВКОЙ,
НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ БЕТОННОЙ КРЕПИ ВЕРТИКАЛЬНОГО СТВОЛА
Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния бетонной крепи в зоне контакта с армировкой при совместном действии постоянных и кратковременных нагрузок. Установлено, что при проектировании крепи стволов с высокой интенсивностью подъема необходим учет динамических воздействий, передаваемых армировкой, для более точного проектирования параметров крепи.
Ключевые слова: армировка, анкерный способ крепления, вертикальный ствол, напряжение крепи.
Семинар № 4
S.G. Stradanchenko, M.S. Pleshko
THE INFLUENCE OF THE DYNAMICAL STRESS CAUSED BY THE FIRM ARMOUR ON THE STRAIN-STRESS STATE OF THE CONCRETE SUPPORT OF THE VERTICAL SHAFT
The study on strain-stress state of the concrete supporting the zone of the armour contact during the combined action of permanent and short-termed stresses is conducted. The studies have shown that the dynamic stresses should be considered in the first place when designing shift casing with the high rate of rise; this will allow to define the shaft parameters more precisely.
Key words: armour, anchoring, vertical shift, shaft stress.
Глубина разработки месторождений полезных ископаемых в России перешагнула 1500 м отметку, а за рубежом в настоящее время достигает 2500 - З000 м и продолжают увеличиваться. Их вскрытие осуществляется вертикальными стволами, оборудованными подъемными сосудами различного назначения.
Основными характеристиками подъема вертикального ствола является масса груженого подъемного сосуда, m и скорость
его движения, V, определяющие интенсивность подъема (т^2).
Действующими нормативными документами скорость движения клетей в нашей стране ограничивается величиной 12 м/с, скипов - 16 м/с. Уже при таких скоростях интенсивность подъема может составлять 10 мДж и более. С увеличением глубины стволов следует ожидать дальнейшего повышения интенсивности подъема, о чем свидетельствует в частности опыт ЮАР, где скорость движения подъемных сосудов уже достигла 20 м/с. [1].
Для обеспечения направленного безопасного движения подъемных сосудов при заданных режимах работы подъемных установок предназначена армировка, представляющая собой пространственную конструкцию, размещенную по всей глубине ствола.
В нашей стране наибольшее применение нашла жесткая металлическая ар-мировка, несущие элементы которой (расстрелы, консоли, кронштейны и др.) непосредственно закреплены в стенках ствола, при этом в последнее время все
Рис. 1. Фрагмент численной модели участка ствола с несущим элементом армировки
более широко используется анкерный способ крепления.
В результате движения по стволу подъемных сосудов несущие элементы армировки передают на крепь ствола в месте контакта комплекс воздействий, который при проектировании параметров крепи не учитывается. Данное обстоятельство, в силу отмеченного выше постоянного роста интенсивности подъема, может привести к ошибкам в проектировании.
Рассмотрение совместной работы крепи и армировки как взаимовлияющей системы с помощью аналитических методов не представляется возможным. В связи с этим прибегнем к численным математическим методам. В настоящее время при решении задач геомеханики наибольшее распространение получил метод конечных элементов.
Авторами с помощью программного комплекса Лира 9.0 разработана и исследована численная модель, представляющая объемный участок породного массива с пройденным и закрепленным монолитной бетонной крепью стволом и установленным несущим элементом армировки (рис. 1).
Крепь и породный массив разбивались на объемные конечные элементы (КЭ) в виде универсального пространственного изопараметрического восьмиузлового КЭ, предназначенного для определения напряженно-деформированного состояния континуальных объектов и массивных пространственных конструкций.
Несущие элементы армировки разбивались на КЭ типа изгибаемых пластин, анкера крепления несущего элемента
моделировались в виде стержневых КЭ, жестко связанных с КЭ крепи ствола.
Для проведения расчетов была сформирована таблица расчетных сочетаний усилий (РСУ), позволяющая исследовать комплексное влияние нагрузок на крепь и армировку. Все нагрузки были разделены на постоянные и кратковременные. К постоянным нагрузкам отнесены собственный вес элементов и нагрузка на крепь со стороны породного массива, определенная по методике [2].
К кратковременным нагрузкам отнесены динамические воздействия со стороны подъемного сосуда, которые разбив а-лись на боковую и лобовую составляющую и определялись согласно [3] по формуле
2-ж2-5п - кр-(ш-V2)
рл(б) __________п р \______!_ ' пл(б)
Н ' ’
где ёп - зазор на сторону между рабочими или предохранительными направляющими скольжения и проводником; кр - коэффициент влияния типа рабочих направляющих подъемного сосуда; Ь -шаг армировки, м; пл(б - коэффициент, учитывающий эксцентриситет центра
масс груженого сосуда, относительного искривления проводников, и др.
Суммарные усилия от динамических воздействий определялись из выражения
N _
к
І>,2
где N - обобщенное усилие от /-той формы колебаний; к/— учитываемое количество форм колебаний.
В результате выполнения расчетов определялись все компоненты тензора напряжений, по которым вычислялись главные напряжения, а также эквивалентные напряжения в бетонной крепи в соответствии с теорией прочности О. Мора:
стэ _ о - %-о ; о _Х°1- 0-3,
где % = °о /00 ; А = 1/о0- ,
здесь Од - предельное напряжение при
одноосном растяжении; О0 - то же, при сжатии.
При определении эквивалентных напряжений в бетонной крепи значения
Од и О0 принимались равными соответствующим расчетным характеристикам бетона Яы и Яъ.
Также определялся параметр Лоде-Надаи, характеризующий вид НДС
/и = 2
02 -03 - 1. О - О
Главные и эквивалентные напряжения в крепи определились при действии на крепь только постоянных нагрузок (собственный вес и горное давление), ап, а также при совместном действии постоянных и кратковременных нагрузок, передаваемых движущимся подъемным сосудом, &п.кр.
Проведенные исследования показали, что нагрузки, передаваемые арми-ровкой, существенно изменяют НДС крепи ствола в зоне контакта с анкерами узла крепления в рассматриваемый момент времени. В результате их действия в бетоне крепи вокруг анкеров возникают контактирующие друг с другом зоны объемного растяжения и сжатия (рис. 2) в соответствии с полученными значениями параметра Лоде-Надаи. При этом в зависимости от формы колебаний подъемного сосуда, обуславливающей направление
динамических нагрузок, участки растяжения и сжатия могут сменять друг друга. Из опыта эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций известно о негативном влиянии таких воздействий на дохДоиечнишшишнюгрлециюго влияния динамических нагрузок, передаваемых армировкой, на крепь ствола был определен параметр Котн при различной интенсивности подъема
„ _ ^п.кр
отн '
На рис. 4 представлены значения параметра Котн в монолитной бетонной крепи ствола в точке крепления узла консольно-распорной ар-мировки на глубине 500 м.
Рис. 2. Изополя нормальных радиальных напряжений в крепи в месте крепления несущего элемента армировки
Среднегодо-
вая
Кот
2.20 2.10 2.00 1.90 1.80 1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 1 00
1.50
Рис. 4. Зависимость Котн от интенсивности подъемного сосуда
Толщина крепи 300 мм, класс бетона В20. Вмещающие породы - песчаники, модуль упругости Е= 15 10 МПа, коэффициент Пуассона у=0,3. Полученные данные аппроксимируются приведенной ниже зависимостью, с величиной достоверности аппроксимации Я 2=0.998 Котн= 0,0276(мУ)2 + 0,21 +
0,7963.
Аналогичные данные были получены при исследовании других конструкций армировки и варьировании физикомеханических свойств крепи и пород, на основании анализа которых установлено, что величина напряжений в крепи ствола, вызванных влиянием армировки, является функцией интенсивности подъема и при ее увеличении возрастает по параболической зависимости. При этом степень влияния армировки на крепь, характеризуемое параметром Котн, зависит от соотношения между величиной кратковременных нагрузок, передаваемых подъемным сосудом, и величиной горного давления на крепь. Наиболее сильно влияние армировки на НДС кре-
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00 4.50
I МДж
пи ствола проявляется при консольной конструкции яруса и небольших значениях горного давления. В этом случае величина параметра Котн может достигать значений Котн=2,4 - 2,7 и более.
В целом, проведенные исследования показали, что крепь в зоне контакта с армировкой эксплуатируется в значительно более сложных условиях, чем на обычных участках ствола, и при высокой интенсивности подъема необходим учет кратковременных динамических воздействий. Это позволит более точно определять параметры крепи в местах контакта с армировкой и повысит долговечность совместной работы конструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сыркин П.С., Ягод-кин Ф.И., Мартыненко И.А., Нечаенко В.И. Технология строительства вертикальных стволов. - М.: Недра, 1997. - 456 с.
2. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. Учеб. для вузов. - М.: Недра. -1994. - 382 с.
Инструкция по проектированию и монтажу армировки вертикальных стволов шахт с креплением элементов армировки на анкерах РД. 12.18.089 — 90 / Харьков: ВНИИОМШС, 1990. - 83 с. ЕШ
г Коротко об авторах
Страданченко С.Г. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, директор, ПлешкоМ.С. - кандидат технических наук, доцент,
Шахтинский институт (филиал) Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), 8ІШ£І;и@ siurgtu.ru
