Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
МАКШАНКИН ДЕНИС НИКОЛАЕВИЧ
ОБОСНОВАНИЕ КРЕПЛЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КРЕПЬЮ ИЗ ШАХТНОГО ПРОФИЛЯ
Специальность 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая и строительная)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кемерово 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф.
Горбачева на кафедре УРазработка месторождений полезных ископаемых подземным способомФ.
Научный руководитель - доктор технических наук, Ремезов Анатолий Владимирович
Официальные оппоненты: Паначев Иван Андреевич, доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, профессор;
Коновалов Леонид Михайлович, кандидат технических наук, ООО ЦАКк, директор Ведущая организация - ОАО Кузбассгипрошахт
Защита состоится 18 октября 2012 г. в 1500 часов на заседании совета по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук Д 212.102.02 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева по адресу: 650000, г. Кемерово, ул.
Весенняя, 28. Тел. (3842)39-63-36. Е-mail: vvi@kuzstu.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
Автореферат разослан л 17 сентября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Иванов В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Повышение эффективности работы угольной промышленности невозможно без увеличения темпов проведения подготовительных выработок и обеспечения надежного их поддержания.
Опыт разработки угольных месторождений показывает, что наблюдается ухудшение горно-геологических условий и увеличение протяженности поддерживаемых горных выработок. При этом обеспечение устойчивости горных выработок затруднено несовершенством конструкции крепей и технологии крепления, а также отсутствием эффективных средств механизации возведения крепей.
В угольной и горнорудной промышленности России в настоящее время достаточно широко применяются различные виды арочной металлической крепи горных выработок, выполняемые из прокатных профилей. Анализ объемов крепления по различным видам крепей горных выработок для ОАО Кузбассуголь, ОАО УК Кузнецкуголь, ОАО ОУК Южкузбассуголь, ОАО СУЭК в г. Ленинске Кузнецком показывает, что доля металлических рамных крепей в общем объеме крепления горных выработок остается значительной и достигает 4654%. Только в 2011 году по ОАО Южный Кузбасс металлической крепью было закреплено до 25% выработок.
Одним из направлений совершенствования горно-подготовительных работ является конструирование и внедрение новых профилей, позволяющих повысить несущую способность крепи и улучшить технико-экономические показатели при проведении, поддержании и проветривании горных выработок, а также снизить трудоемкость труда горнорабочих.
В связи с этим тема работы, направленная на обоснование крепления горных выработок металлической рамной крепью с усовершенствованным шахтным профилем, является актуальной.
Диссертационная работа выполнена автором в соответствии с планом НИР КузГТУ за 2001-2010 г.г. по темам:
Изучение процессов взаимодействия инженерных конструкций с породными массивами и устойчивости горных выработок, разработка и научное обоснование способов строительства подземных сооружений, их восстановление.
Объектом исследования является технология крепления горных выработок.
Предметом исследования является металлическая крепь из специальных шахтных профилей.
Целью работы является обоснование крепления горных выработок металлической крепью для повышения их устойчивости и улучшения проветривания при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.
Идея работы заключается в использовании закономерностей процесса взаимодействия нового специального шахтного профиля типа ШП с массивом горных пород, повышающего несущую способность крепи и снижающего коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной выработки.
Задачи исследования.
1. Провести анализ устойчивости крепей и поддерживаемой выработки на основе отечественного и зарубежного опыта применения металлических крепей горных выработок и выявить пути повышения эффективности их применения.
2. Повысить устойчивость и снизить аэродинамическое сопротивление закрепляемой горной выработки путем выбора рациональных геометрических параметров нового профиля металлической крепи;
3. Провести обоснование несущей способности металлической крепи из новых шахтных профилей типа ШП при взаимодействии с массивом горных пород в выработке, оценить суммарный экономический эффект от ее применения.
Методы исследований включают: аналитический обзор научных работ отечественных и зарубежных исследователей по разработке и использованию специальных металлических профилей для изготовления металлических крепей горных выработок; методы сопротивления материалов для расчета прочностных характеристик специальных профилей; математическое моделирование методом конечных элементов взаимодействия крепей с массивом горных пород в выработке; технико-экономический анализ по результатам проведенных исследований.
Научные положения:
1. Повышение устойчивости крепи и выработки достигается при увеличении соотношения между шириной и высотой профиля до значений, равных 2,93,6; при этом моменты сопротивления профиля ШП относительно вертикальной оси увеличиваются в 1,41,7 раза, а площадь поддержания горной выработки на 97%150%;
2. Увеличение площади поперечного сечения горной выработки в свету на 8% и уменьшение числа арок по длине выработки на 1827%, позволяет снизить коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной крепью с профилем ШП, на 711%;
3. Крепь с профилем ШП по сравнению с профилем СВП имеет повышенную несущую способность на 617%, предельная глубина проведения подготовительных выработок при креплении профилем ШП-составляет 12201580 м.
Научная новизна состоит:
- в оценке факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей;
- в обосновании направления изменения геометрических параметров профиля металлической крепи для повышения ее несущей способности и снижения коэффициента аэродинамического сопротивления выработок;
- в обосновании взаимодействия металлических крепей с массивом горных пород в горных выработках, обеспечивших более высокую несущую способность крепей с профилем ШП по сравнению с применяемым профилем СВП;
- в установлении зависимостей, позволяющих рассчитать предельную глубину крепления выработок профилем ШП.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным применением современных методов научного анализа и обобщения данных, метода конечных элементов, механики деформируемого твердого тела, сходимостью результатов натурных стендовых испытаний крепей с результатами математического моделирования этих испытаний (не более 10%), положительными результатами внедрения.
ичный вклад автора состоит:
- в определении количественной зависимости между высотой специальных шахтных профилей и площадью поперечного сечения горной выработки в проходке при выемке дополнительного объема горной массы и размещении металлической крепи в выработке;
- в анализе влияния высоты специального шахтного профиля на аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлической крепью из специальных шахтных профилей;
- в проведении исследований по определению влияния параметров поперечного сечения профиля на его прочностные характеристики;
- в разработке нового специального шахтного профиля типа ШП и металлических крепей из данных профилей;
- в проведении математического моделирования взаимодействия крепей с массивом горных пород;
Научное значение работы заключается в установлении факторов, позволяющих повысить эффективность применения металлических крепей из специальных шахтных профилей типа СВП, в решении задачи о взаимодействии крепи с массивом горных пород; в определении рациональных геометрических параметров поперечного сечения профиля, что позволяет получить новый экономичный специальный шахтный профиль типа ШП с повышенной несущей способностью и меньшим значением коэффициента аэродинамического сопротивления крепи.
Практическое значение работы заключается в том, что применение установленных зависимостей позволяет рассчитать предельную глубину проведения горных выработок, с учетом коэффициента бокового распора, при которой металлическая крепь из профилей ШП сохраняет свою несущую способность и обеспечивает устойчивость горной выработки.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались: на семинарах кафедры Разработка месторождений полезных ископаемых КузГТУ в 20052010 гг.; на научно-практической конференции студентов и аспирантов КузГТУ в 1999, 2000г.; на I Региональной научнопрактической конференции Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса КузГТУ в 2007 г.; на XI Международной научно-практической конференции Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Сибресурс 2006, а также на технических совещаниях ЗАО КузНИУИ, ОАО Кузбассгипрошахт, ОАО СУЭК, ОАО Кузбассуголь, ОАО УК Южкузбассуголь, а также получили положительные рекомендации о возможности использования разработанного профиля ШП для крепления горных выработок в ОАО Кузбассгипрошахт, ОАО СУЭК-КУЗБАСС, ОАО Кузбассуголь, ОАО УК Южкузбассуголь.
На разработанные паспорта крепления горных выработок металлической рамной крепью из шахтного профиля ШП получено положительное заключение ЗАО КузНИУИ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано печатных работ (одна из них монография) и патент на изобретение, в том числе 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 165 страниц печатного текста, 72 рисунка, таблицы, список использованной литературы из 74 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен анализ российского и зарубежного опыта крепления горных выработок. Комплексные исследования по совершенствованию технологии проведения и поддержания горных выработок проведены учеными ИГД им. Скочинского, МГГУ, Кузниишахтостроя, КузНИУИ, КузГТУ, Тульского ГТУ и других учебных, научно-исследовательских и проектно-конструкторских институтов.
Значительный вклад в разработку конструкций металлических рамных крепей внесли И. В. Баклашов, Н. С. Булычев, М. Н. Гелескул, П. В. Егоров, В.В.
Егошин, Ю. З. Заславский, В.Н. Каретников, Б. А. Картозия, В.Б. Клейменов, А.Г.
Нуждихин, Н.Н. Фотиева, А.П. Широков, Г.Г. Штумпф и др.
Результаты их исследований составляют теоретическую и практическую основу для дальнейшего совершенствования металлических рамных крепей и обеспечения устойчивости горных выработок, а также предотвращения проявлений опасных горно-геологических явлений.
В настоящее время наиболее распространенным видом крепи горизонтальных и наклонных горных выработок являются металлические рамные крепи. Они применяются для крепления горизонтальных и наклонных (до 35) породных и пластовых выработок трапециевидной формы при вертикальных смещениях горных пород до 100 мм и арочной формы при вертикальных смещениях горных пород до 350400 мм. В Кузбассе применяют подковообразную арочную трехзвенную крепь как жесткой, так и податливой конструкции (рис.1а). Для изготовления металлических рамных крепей применяется специальный желобчатый профиль типа СВП (специальный взаимозаменяемый профиль из горячекатаной стали марки Ст.5) (рис.1б). В Кузбассе используют три типоразмера спецпрофилей СВП17, СВП22 и СВП27 для изготовления арочных крепей выработок с сечением в свету соответственно от 9 до 19,2 м2. По специальному заказу также изготавливается СВП33 для крепления горных выработок с сечением 19,0 м2.
а) б) Рис.1. Металлическая податливая крепь (а) из специального шахтного профиля СВП (б) Анализ опыта использования металлических крепей, изготовленных из профилей типа СВП, выявил следующие основные факторы, снижающие эффективность их применения:
1. Не обеспечивается полный контакт соединяемых звеньев по всему контуру поперечного сечения, то есть фланцам, стенкам и днищу, что обуславливает нарушение конфигурации крепи при увеличении нагрузок, отрыв днища профиля и недостаточно высокую несущую способность крепи, особенно в податливом режиме.
2. Для размещения крепи в выработке требуется увеличение площади поперечного сечения выработки на 2,35,5м2 (19,729,5%) и выемка дополнительного объема горной массы на 1 п. м. пройденной выработки 3,58,3 м3.
3. Имеет место значительная незакрепленная часть выработки между фланцами смежных рам крепи, которая составляет 8587% при расстоянии между рамами 1 м. Это приводит к неустойчивости рам и их скручиванию, что объясняется низким соотношением между шириной профиля b и его высотой h, которое составляет 1,21,3 и является недопустимо низким для качественного поддержания выработок.
Устранение недостатков и совершенствование профиля СВП является актуальной задачей и она решалась различными способами. При изготовлении металлической крепи вместо профиля СВП применялась двутавровая балка, также был разработан унифицированный шахтный профиль СВПУ. Однако эти решения не являются приемлемыми, что объясняется следующим. Крепь, изготовленная из двутавра, резко теряет несущую способность и устойчивость, если приложенная нагрузка является косонаправленной, что широко распространено в реальных условиях. Профиль СВПУ, отличающийся повышенным сопротивлением кручению и изгибу в плоскости крепи, не получил распространения из-за своих конструктивных особенностей.
Увеличение высоты и уменьшение ширины профиля СВПУ привело к усилению недостатков, присущих профилю СВП.
Анализ отечественного и зарубежного опыта разработки новых видов профилей показал, что существующее направление в разработке новых видов профилей заключается в увеличении высоты сечения профиля с одновременным уменьшением его ширины при примерно одинаковой величине площади поперечного сечения профиля и его металлоемкости.
Однако данное направление отрицательно влияет на эффективность применения специальных шахтных профилей для изготовления металлических крепей горных выработок, так как не устраняет вышеуказанные недостатки, присущие крепям из профиля СВП.
В результате анализа были сделаны выводы и сформулированы задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке нового шахтного профиля ШП, позволяющего уменьшить аэродинамическое сопротивление и повысить устойчивость закрепляемых горных выработок.
Была исследована зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления выработки от различных факторов и установлено следующее.
1. При увеличении площади поперечного сечения горной выработки Sсв. коэффициент аэродинамического сопротивления уменьшается, а при уменьшении Sсв. величина увеличивается;
2. При продольном калибре крепи = (56) величина сопротивления имеет максимальное значение, дальнейшее увеличение = (910) ведет к уменьшению величины , а при > 10, величина становится примерно постоянной;
3. При увеличении высоты шахтного профиля h коэффициент аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной металлической крепью, возрастает, а при уменьшении высоты профиля h соответственно снижается.
Причем при увеличении высоты профиля на 1 см рост указанного коэффициента составляет 0,4410-4 при расстоянии между рамами 1 м.
Н с2 / мВ работе установлено, что уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления горной выработки, закрепленной металлической крепью из шахтных профилей, возможно путем увеличения площади поперечного сечения Sсв. горной выработки и расстояния между соседними элементами крепи, а также при сокращении высоты шахтного профиля. Снижение коэффициента аэродинамического сопротивления позволяет уменьшить общешахтную депрессию и расход электроэнергии на проветривание. Следует отметить, что уменьшение высоты профиля ведет к соответствующему увеличению величины сечения Sсв., а увеличение ширины профиля позволяет либо уменьшить незакрепленную часть выработки между соседними рамами, либо увеличить расстояние между соседними элементами крепи.
Таким образом, повышение эффективности применения металлических крепей из профиля СВП может быть достигнуто за счет увеличения площади поддержания массива по контуру рамы крепи и увеличения ее несущей способности, а также уменьшения площади поперечного сечения горной выработки в проходке и объема выемки горной массы при размещении крепи в выработке. Причем, все перечисленные улучшения могут быть достигнуты за счет уменьшения высоты и увеличения ширины профиля, то есть разработкой нового профиля.
Расчет рациональных геометрических параметров нового профиля крепи проводился аналитическим способом. При заданной площади поперечного сечения изменялись геометрические параметры профиля и производился расчет коэффициентов несущей способности материала, то есть отношения моментов сопротивления сечения профиля к его массе. При этом выделялись профили с теми параметрами, при которых коэффициенты несущей способности были наибольшими. Путем расчета всех возможных значений геометрических параметров профиля были найдены наиболее рациональные, при которых коэффициенты несущей способности материала были более высокими, чем для применяемого профиля СВП.
Таким образом, был разработан новый профиль типа ШП с номерами 1332, для которых отношение ширины к высоте составляет 3,62,9 (рис.2).
Рис.2. Специальный шахтный профиль ШП Сравнительные характеристики профилей СВП и ШП приведены в табл. 1.
Таблица Сравнительные характеристики профилей типа СВП и ШП Ширина Высота Площадь Вес Момент Коэффициент b, мм h, мм попереч- 1п. м, сопротивления, использования ного G, см3 несущей сечения кг/м способности F, см материала Wx Wy Wx Wy G G 14 121,0 88,0 18,70 14,7 40,7 46,1 2,77 3, 17 131,5 94,0 21,73 17,1 50,3 57,9 2,94 3,СВП 19 136,0 102,0 24,44 19,2 61,3 67,0 3,20 3,22 145,4 110,0 27,91 21,9 74,8 77,8 3,42 3,27 149,5 123,0 34,37 27,0 100,2 97,8 4,15 3,33 166,3 137,0 42,53 33,4 133,5 148,0 4,00 4, 13 242,1 68,0 20,99 13,46 39,44 66,25 2,93 4, 16 260,4 74,0 17,11 16,51 51,16 87,02 3,1 5,ШП 18 294,1 82,0 23,95 18,84 65,9 96,58 3,5 5,21 286,2 88,0 26,68 20,99 75,45 123,72 3,6 5,26 309,2 98,4 33,47 26,33 104,6 165,7 3,97 6,32 317,6 109,6 41,82 32,9 142,32 204,87 4,32 6,Тип профиля Номер профиля Сравнение моментов сопротивления Wx и Wy, а также коэффициентов использования несущей способности материала Wx /G и Wy/G для крепей из профилей СВП и ШП сравниваемых типоразмеров доказывает преимущество последних. Значения параметров Wx и Wx /G для обоих профилей примерно равны, при этом значения параметров Wy и Wy/G у профиля ШП выше в 1,41,7 раза, что позволяет повысить устойчивость горных выработок при креплении профилем ШП.
За счет увеличения ширины профиля увеличивается площадь поддержания горных пород выработки по контуру рамы крепи на 97150%, и снижается величина незакрепленной выработки между фланцами смежных рам крепи на 1827%.
За счет уменьшения высоты профиля и уменьшения числа арок по длине выработки аэродинамическое сопротивление закрепленных горных выработок снижается на 711% по сравнению с крепями из профилей СВП.
Уменьшение высоты профиля позволяет уменьшить площадь поперечного сечения горной выработки в проходке до 8%, что обуславливает снижение объема выемки горной массы на 1 п. м выработки на 2,912,5 м3. За счет более рациональных параметров сечения профиля снижение массы и стоимости крепи составляет до 7%.
Таким образом, можно говорить о том, что применение крепи из профиля ШП позволяет улучшить проветривание и повысить устойчивость закрепляемых горных выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.
Третья глава посвящена исследованиям несущей способности крепи при взаимодействии ее с массивом горных пород. Поставленная задача решалась с помощью математического моделирования, для чего использовался метод конечных элементов (МКЭ).
Это связано с тем, что при сложном сечении профиля и арочной форме крепи ее напряженно-деформированное состояние не поддается точным аналитическим расчетам. Численные расчеты были выполнены по стандартной программе МКЭ, для крепей из профилей СВП-22, 27 и ШП-21, 26.
Для проведения расчетов методом МКЭ предварительно для каждого из указанных профилей были рассчитаны их приведенные сечения в форме прямоугольников. Размеры приведенных сечений профилей определялись по двум условиям: 1) равенству площадей поперечных сечений профилей F1 = F2 ;
2) равенству моментов сопротивлений на изгиб относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести профиля Wx1 = Wx. Используя известные значения (табл. 1) F и Wx были найдены параметры приведенного прямоугольного сечения R и L:
Wx R= F = R L F (1), L R2 откуда F W = x L =, R где R и L - соответственно высота и ширина приведенного прямоугольного сечения профиля.
Соотношение для рассматриваемых профилей составило 8,910,6, R/L что позволило рассчитывать металлическую крепь как конструкцию, находящуюся в плоском напряженном состоянии.
Промышленное использование арочных крепей возможно только после стендовых испытаний, которые должны подтвердить их работоспособность.
Поэтому в работе также первоначально было проведено моделирование стендовых испытаний трехзвенной крепи. Такая крепь состоит их двух стоек и верхняка, все звенья арки соединены между собой скобами с планками и гайками. Податливость крепи достигается за счет сдвигания концов звеньев одного в другой в местах их соединения, которые называются замками. Для крепи жесткой конструкции производится фиксированное закрепление звеньев и податливости не наблюдается.
В натурных условиях стендовые испытания крепей жесткой и податливой конструкции проводились совместно с институтом КузНИИшахтострой, согласно ГОСТ Р 50910-96 Крепи металлические податливые рамные следующим образом (рис. 3). Крепь нагружается вертикально по центральной точке верхняка до нагрузки, когда крепь теряет несущую способность. Испытания проводились в режиме, когда гидроцилиндры, горизонтально расположенные на высоте 1 м от концов стоек, удерживают стойки крепи от горизонтальных смещений.
а) б) в) Рис. 3. Схема стендовых испытаний крепей жесткой (а) и податливой конструкции (б) по ГОСТ Р 50910-96; конструкция замков (в) Так как конструктивные элементы крепей изготавливаются из горячекатанной стали, то при расчетах были приняты соответствующие деформационные и прочностные характеристики этого материала: модуль упругости E = 21011 H/м2, коэффициент поперечных деформаций = 0,25, прочность на растяжение 4108 Н/м2.
Для выяснения адекватности применения метода МКЭ для моделирования арочных крепей в первую очередь были проведено моделирование стендовых испытаний крепей жесткой конструкции для двух типоразмеров профилей СВП-22, СВП-27. Геометрия рамной крепи СВП-22 и векторы смещения в масштабе 1:5 в предельном случае нагружения (потере несущей способности) показаны на рис. 4а. Аналогичная качественная картина изменения геометрии крепи жесткой конструкции при потере ее несущей способности наблюдалась в натурных испытаниях у крепей всех типов профилей.
а) б) Рис. 4. Изменение геометрии крепи, векторы смещения и распределение остаточной прочности при потере несущей способности крепи в жестком (а) и податливом (б) режиме На этом рисунке темный цвет (верхняя часть крепи) показывает области разрушения крепи, которые находились по критерию разрушения Мора:
р мо = 1 - 3 (2) сж где 1, 3 - наибольшее и наименьшее главные напряжения;, - р сж пределы прочности металла на растяжение и сжатие, / =0,1. Потеря р сж прочности происходит в случае, если.
мо > р Результаты натурных стендовых испытаний крепи из профиля СВП были предоставлены администрацией института КузНИИшахтострой.
Сопоставление результатов экспериментальных стендовых испытаний с результатами расчетов методом МКЭ основных параметров крепей СВП-22, 27, принятых ГОСТом, показало следующее (табл. 2).
Таблица Результаты натурных стендовых испытаний арочных крепей и данных расчета методом МКЭ Тип Несущая Несущая Погреш- Прогиб Прогиб Погрешпрофиля способность способ- ность верхняка верхняка ность распо стендо- ность по расчета не- по по расче- чета смевым испы- расчетам, сущей спо- испыта- там, мм щений таниям, кН Р, кН собности, % ниям, мм верхняка,% Крепи жесткой конструкции СВП-22 352 312 11 284 260 4,СВП-27 415 381 8,2 342 350 2.ШП-21 - 344 - - 273 - ШП-26 - 402 - - 367 - Крепи податливой конструкции СВП-22 302 312 9,7 274 260 5,СВП-27 405 381 6,0 382 350 8,ШП-21 - 364 - - 263 - ШП-26 - 412 - - 356 - Отклонения расчетных значений от натурных составляют в среднем: для прогиба верхняка - 3,6%; для несущей способности рамы - 9,6%.
Расчет несущей способности крепей жесткой конструкции с профилем ШП21 показал, что она превосходит несущую способность крепей с профилем СВП-на 10%, а с профилем ШП-26 - на 6% по сравнению с профилем СВП-27.
Трудность моделирования поведения арочной крепи податливой конструкции заключается в том, что замок крепи представляет собой сложную конструкцию для численного и, тем более, аналитического описания его напряженно-деформированного состояния. В работе замок моделировался отдельным сегментом крепи с более низкими деформационными и прочностными характеристиками, чем у материала крепи. Такая модель может учитывать реальные деформационные и прочностные характеристики конструкции замка. Для модели замка были приняты характеристики: модуль упругости Е = 1109 Н/м2, коэффициент поперечных деформаций = 0,27, прочность на растяжение 107 Н/м2. Геометрия трехзвенной арочной крепи ШП21 и векторы смещения в масштабе 1:5 в предельном случае нагружения (потере несущей способности) показаны на рис. 4б. Откуда видно, что в отличие от жесткой конструкции крепи, потеря несущей способности податливой крепи происходит в первую очередь в элементах податливости - замках.
Сравнение работоспособности крепей с профилем СВП и ШП можно провести по зависимости прогиба верхняка от вертикальной нагрузки Р, для соответствующих типоразмеров профилей арочных крепей, крепь с профилем ШП имеет повышенную несущую способность (см. табл. 2, рис. 5).
Погрешность расчета несущей способности крепи с профилем СВП не превышает 10%, что позволяет использовать метод конечных элементов для адекватного моделирования поведения крепи.
Рис. 5. Зависимость прогиба верхняка И от вертикальной нагрузки P для профилей СВП-22 (1), СВП-27 (2), ШП-21 (3), ШП-26 (4) Важной дальнейшей задачей является исследование поведения арочных крепей с профилем ШП при взаимодействии с массивом горных пород в подготовительных выработках в различных геомеханических условиях. Для решения поставленной задачи были смоделированы геометрические, деформационные и прочностные характеристики крепи и массива горных пород, а также поставлены граничные условия и условия нагружения подготовительной выработки. Крепь реальных размеров в плоском сечении по центру профиля, как и массив горных пород, находится в плоскодеформированном состоянии. В массиве горных пород была выделена прямоугольная область с размерами, которые не менее чем в три раза превосходят размер выработки (рис. 6). В качестве массива горных пород рассматривался аргиллит и алевролит средней прочности с коэффициентом прочности 24, плотностью = 2500 кг/м3 со следующими деформационными параметрами: модуль упругости Е = 2103 МПа, коэффициент поперечных деформаций = 0,26.
A B y f f e e a d с b x C D Рис.6. Основная расчетная схема задачи и сетка конечных элементов:
ABCD - массив горных пород; abcd - крепь горной выработки;
ef - замок крепи В первую очередь было рассмотрено состояние массива горных пород вокруг незакрепленной выработки. Получены следующие результаты. На глубине разработки 200 м выработка сохраняет устойчивость, а на глубине 600 м происходит разрушение выработки по ее верхнему и боковому контуру и частично в почве (рис. 7а). Область разрушения показана темным цветом (при Мо>2106 Н/м2).
Поэтому интерес представляет взаимодействие арочной крепи с массивом горных пород именно на глубине 600 м, которая является предельной глубиной разработки на шахтах Кузбасса. Крепь с профилем ШП-21 полностью сохраняет прочность и устойчивость, что показано на рис. 7б. В сечении крепи прочностные значения МО принимают значения не более 12 108 Н/м2, что значительно меньше допустимых значений, которые составляют мо = 4108 Н/м2.
а) б) Рис. 7. Значения критерия Мора МО в массиве горных пород вокруг незакрепленной выработки (а) и в арочной трехзвенной крепи податливой конструкции с профилем ШП-21 (б) на глубине 600 м Анализ графиков распределения напряжений в массиве горных пород в сечениях 1, 2, 3, 4 в направлении от крепи показал, что значения МО в сечениях 1 и 2 уменьшаются по сравнению со случаем без крепления выработки. При этом разрушение горных пород не наблюдается. Таким образом, наличие крепи с профилем ШП-21 в подготовительных выработках с сечением в свету 9,7 моказывает положительное влияние на геомеханическое состояние массива горных пород, на его устойчивость и целостность.
Далее было исследовано влияние начального напряженного состояния массива горных пород, а именно: глубины разработки Н, определяющей вертикальные напряжения, и коэффициента бокового распора , задающего горизонтальные напряжения, на прочностное и деформационное состояние крепи с профилем ШП-21. В экспериментах измерялись максимальные значения критерия Мора в верхняке, в стойке и замке при глубине разработки Н= 200, 400, 600, 800 м и значениях коэффициента бокового распора =0,25; 0,5; 0,75; 1,0; 1,25 (рис.8).
Анализ результатов показал, что из трех рассмотренных элементов крепи наиболее слабым местом является замок, который первым начинает терять прочность при увеличении глубины разработки.
Найденное уравнение регрессии:, позволяет Нпред = 367,6 + 1112,вычислить максимальную предельную глубину проведения горной выработки при значении , при которой крепь сохраняет несущую способность (рис.9).
Значения предельной глубины проведения подготовительной выработки с креплением трехзвенной крепью из профиля ШП-21 по ее прочности находится в диапазоне 12201580 м для =0,251,25 соответственно.
Нпред = а) б) в) Рис.8. Значения, Н/м2 в элементах крепи с профилем ШП-21 в зависимости мо от глубины разработки Н при коэффициенте бокового распора 1) =0,25; 2) =0,5; 3) =0,75; 4) =1; 5) =1,25: а) в верхняке; б) в стойке; в) в замке Рис.9. Зависимость предельной глубины, м Нпред по несущей способности крепи от коэффициента бокового распора В четвертой главе проводится расчет экономического эффекта при промышленном внедрении крепей из профиля ШП.
Основой экономического эффекта является уменьшение металлоемкости профилей ШП по сравнению с профилем СВП и уменьшение высоты профиля, что позволяет уменьшить затраты на проветривание и выемку горной массы при размещении крепи в выработке, снизить трудоемкость работ при проходке и время проходческого цикла. Результаты расчета приведены в табл. 3.
Таблица Расчет экономического эффекта № Вид эффекта Стоимость на 1000 п. м проходки 1 Снижение платы за электроэнергию при возможном 86595руб.
уменьшении мощности электродвигателей вентиляторов (П) и снижение энергозатрат на выемку горной массы (ЭV) 2 Снижение металлоемкости крепи ЭМ 1060935 руб.
3 Снижение трудоемкости работ ЭТ 56110 руб.
4 Снижение времени проходческого цикла ЭК 25253 руб.
Суммарный эффект 1228893 руб.
Экономический эффект при замене профиля СВП27 на профиль ШП-составит около 1,2 млн. руб. на 1000 п. м проходки. Реально же большинство шахт имеет десятки и более километров выработок, которые можно крепить более экономичным типом профиля, то есть можно получить эффекты, большие на порядки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой приведены научно-обоснованные технические решения по креплению горных выработок металлической крепью с разработанным профилем ШП, повышающим устойчивость и улучшающим проветривание выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ, имеющие существенное значение для угольной отрасли страны.
Основные научные выводы и рекомендации 1. Анализ отечественного и зарубежного опыта крепления горных выработок металлической крепью показал, что направление совершенствования крепей заключается в уменьшении высоты и увеличении ширины профиля крепи. Это позволяет увеличить несущую способность крепи и снизить коэффициент аэродинамического сопротивления закрепленной горной выработки.
2. Разработана методика по совершенствованию поперечных сечений специальных шахтных профилей. На ее основе создан специальный шахтный профиль типа ШП с рациональными размерами поперечного сечения (снижение высоты и увеличения ширины профиля) и улучшенными прочностными характеристиками, позволяющими повысить устойчивость и улучшить проветривание закрепляемых горных выработок при снижении затрат на производство крепи и ведение горных работ.
3. В результате аналитических исследований моментов сопротивления профиля арочной крепи определена расчетная несущая способность металлических крепей из специальных шахтных профилей типа ШП.
4. Применение крепей с профилем ШП позволяет снизить площадь поперечного сечения выработки в проходке на 8%, объем выемки горной массы на 1 п. м проведения выработки на 2,912,5 м3, коэффициент аэродинамического сопротивления на 711%, металлоемкость крепи до 7%.
Разработанный профиль также позволяет улучшить контактирование и взаимодействие крепи с окружающим выработку горным массивом.
5. Разработана комбинированная металлическая крепь из специального шахтного профиля типа ШП в сочетании со сталеполимерной анкерной крепью, которая имеет повышенную несущую способность на 1275% по сравнению с типичной металлической крепью из специальных профилей типа СВП, без увеличения металлоемкости крепи.
6. Установлено, что использование метода конечных элементов позволяет с достаточной точностью (до 10%) проверять работоспособность металлических крепей без проведения стендовых испытаний.
7. Исследования взаимодействия крепи с массивом горных пород в подготовительных выработках показали, что предельная глубина их проведения и крепления с профилем ШП-21 составляет 12201580 м.
8. Экономический эффект от рационального выбора вида и параметров металлической крепи при альтернативном креплении специальными шахтными профилями типа СВП и ШП, на 1000 п. м проведения и крепления горной выработки составляет не менее 1,2 млн. руб.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1.Егошин, В. В. Аэродинамическое сопротивление горных выработок, закрепленных металлическими арками из специальных шахтных профилей/ В. В. Егошин, Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов //Вестник КузГТУ. - 2003. - №4. - С. 29Ц31.(издание ВАК) 2. Ремезов, А. В. Преимущества металлического шахтного профиля ШП над профилем СВП, в том числе в сочетании с анкерным креплением / А. В. Ремезов, В. В. Егошин, Д. Н. Макшанин и др. //Вестник КузГТУ. - 2004. - №6/2. - С. 31Ц34. (издание ВАК) 3.Макшанкин, Д. Н. Эффективность аэродинамического сопротивления горных выработок, закрепленных рамной металлической крепью из специальных шахтных профилей типа СВП и ШП/ Д. Н.
Макшанкин, А. В. Ремезов // Уголь. - 2007. Ц№6. - С. 50Ц52. (издание ВАК) 4.Макшанкин, Д. Н. Определение области допустимых значений для нахождения параметров шахтных специальных профилей с улучшенными характеристиками / Д. Н. Макшанкин, Р. Р. Зайнулин, А. В. Ремезов // Вестник КузГТУ. Ц2007. - №6(64). - С. 36Ц40. (издание ВАК) 5.Макшанкин, Д. Н. Определение интегрированного экономического эффекта от рационального выбора вида и параметров крепи при альтернативном креплении профилями типа СВП и типа ШП // Д. Н. Макшанкин, С. В. Новоселов, А. В. Ремезов // Вестник КузГТУ. - 2007. - №6(64). - С. 40Ц46. (издание ВАК) В прочих изданиях:
6.Макшанкин, Д. Н. Шахтные профили для крепления подготовительных горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, В. В. Егошин // Научные работы студентов - магистров: сб. науч. тр. КузГТУ. - Кемерово, 1999г. - С. 57Ц61.
7.Макшанкин, Д. Н. Совершенствование сечений специальных профилей для металлической крепи горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, В. В. Егошин // Научные работы студентов-магистрантов: сб. науч. тр. КузГТУ - Кемерово, 2000. - С. 51Ц60.
8.Макшанкин, Д. Н. Специальный шахтный профиль для изготовления металлических крепей горных выработок/ Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов //Топливноэнергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научнопроизводственный и социально-экономический журнал. - Кемерово, 2006. - С. 61Ц63.
9.Макшанкин, Д. Н. Экономическая эффективность внедрения для изготовления рамной металлической крепи горных выработок металлического профиля новой конструкции / Д. Н. Макшанкин, А. В. Ремезов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири: Сибресурс 2006: Материалы XI Междунар.
научно-практ. конф. - КузГТУ. - Кемерово, 2006. - С. 188Ц191.
10.Макшанкин, Д. Н. Эффективность аэродинамического сопротивления горных выработок, закрепленных рамной металлической крепью из специальных шахтных профилей типа СВП и ШП / Д. Н.
Макшанкин, А. В. Ремезов // Материалы I Региональной научно-практ. конф.
Влияние научно-технического прогресса на экономическое развитие Кузбасса, КузГТУ. - Прокопьевск, 2007. - С. 126Ц133.
11.Ремезов, А. В. Основные виды крепления горных выработок и методика расчета технических параметров / А. В. Ремезов, В. Г. Харитонов, Д. Н. Макшанкин, А. Ф. Брынько, В. В. Ермак. - Кемерово: Кузбассвузиздат, 2007. - 306 с.
12. Патент №21929-02 РФ. Шахтный профиль для изготовления металлической крепи горных выработок / В. В. Егошин, Д. Н. Макшанкин. Опубл.27.10.2002 г.
13.Макшанкин, Д. Н. Математическое моделирование стендовых испытаний арочных крепей в жестком режиме / Д. Н. Макшанкин, В. А. Гоголин, А. В. Ремезов// Экономика Кузбасса: Научно-инновационный и социально-экономический журнал. - 2009. - №6(47). - С. 28Ц30.
14.Макшанкин, Д. Н. Математическое моделирование стендовых испытаний арочных крепей податливой конструкции / Д. Н. Макшанкин, В. А. Гоголин, А. В. Ремезов// Топливно-энергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научно-производственный и социальноэкономический журнал. - 2010. - №1(48). - С. 29Ц31.
15.Макшанкин, Д. Н. Взаимодействие трехзвенных арочных крепей из профиля ШП с массивом горных пород в подготовительных выработках / Д. Н.
Макшанкин, В. А. Гоголин, А. В. Ремезов, И. А. Ермакова// Топливноэнергетический комплекс и ресурсы Кузбасса: региональный научнопроизводственный и социально-экономический журнал. - 2010. - №2(49) - С. 18Ц22.
Подписано в печать л17 сентября 2012г.
Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Отпечатана на ризографе.
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 715.
ФГБОУ ВПО Кузбасский государственный технический университет им.Т.Ф.Горбачева.
650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография ФГБОУ ВПО Кузбасский государственный технический университет им.Т.Ф.Горбачева.
650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле