Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ

Вохмин С.А. 1 Урбаев Д.А. 1 Иванов Д.Г. 1 Зайцева Е.В. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» ИГДГиГ
Проанализирована динамика развития показателей строительства вертикальных стволов на горнодобывающих предприятиях Российской Федерации. Определены основные факторы, влияющие на показатели производственных процессов строительства: технико-экономические проектные решения, величина давления вмещающих пород, толщина применяемой крепи капитальных горных выработок. Для повышения интенсивности ведения строительно-монтажных работ по проходке стволов рассмотрено применение крепи ствола в виде осесимметричной цилиндрической оболочки переменной толщины предложенной проф., д.т.н. А. Н. Воробьёвым. Обоснованы применения данного вида крепи с целью снижения капитальных затрат по строительству вертикальных стволов Корбалихинского полиметаллического рудника в сравнении с монолитной бетонной крепью постоянного сечения. Предложено производить оценку технологических решений по экономическим критериям, исходя из фактора надежности. Определен механизм влияния показателя надежности на эффективность капиталовложений.
фактор надежности.
крепь
ствол
1. Воробьев А. Н. Обоснование и разработка методов расчета и совершенствования конструкции крепей горных выработок на основе теории арочных систем и тонких оболочек. [Текст]: Дис. ... докт. техн. наук. - М.: МГГУ, 1993.
2. Першин В. В., Баранов Г. П., Лебедев А. В. Надежность технологических систем строительства горных выработок. - М.: Недра, 1992. - 160 с.
3. Руппенейт К. В., Либерман, Ю. М., Матвиенко В. В. Расчет крепи шахтных стволов [Текст]: учеб. - М.: Академия наук, 1962. - 123 с.
4. Современные проблемы шахтного и подземного строительства. Материалы международного научно-практического симпозиума 28 мая - 3 июня 2005 г. Крым, Алушта, Украина. - Донецк: Норд-Пресс, 2005.
5. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов. - М.: Наука, 1974.

При строительстве подземных рудников наиболее дорогостоящим, долгосрочным и трудоемким процессом является строительство комплекса капитальных горных выработок, в том числе вертикальных стволов.

Оценивая эффективность технико-экономических показателей строительства вертикальных стволов за последние 35 лет в бывшем СССР и Российской Федерации, следует отметить незначительное увеличение основных производственных показателей, несмотря на научные, технологические, организационно-практические и проектно-конструкторские достижения.

Одной из основных причин сложившейся ситуации является применение совмещенной технологической схемы проходки с последовательны мармированием, независимо от горно-геологических условий проходки, стратегии строительства предприятия. Также не малую роль играет применение морально устаревшего оборудования, созданного более 25–35 лет назад и использование проектно-конструкторских решений, не учитывающих особенностей современного рынка строительных материалов и техники.

Строительство вертикальных стволов имеет определенные особенности: данные бурения разведочных скважин не дают полной картины состояния горного массива, значительно ослабляющегося в результате ведения буровзрывных работ, водопритоки прогнозируются крайне неточно.

Также следует учесть и большой объем работ по возведению бетонных и железобетонных крепей. Однако выбор типа крепей ограничивается в основном монолитными, при практическом отсутствии использования новых облегченных видов крепей. При подавляющем применении дорогостоящих монолитных крепей с использованием передвижных металлических опалубок несущая способность крепи при толщине бетона более 700 мм не увеличивается. Данные статистики показывают, что отклонение фактической толщины крепи от проектной на практике распространено повсеместно и может достигать 100 % и является характерной особенностью принятых технологий в условиях неустойчивых, трещиноватых пород с явно выраженными реологическими свойствами.

Все виды операций по строительству капитальных выработок усложняются ввиду увеличения глубины ведения работ. Вмещающие породы становятся более трещиноватыми, при прохождении вертикальных капитальных горных выработок через водоносные горизонты увеличиваются водопритоки в забой выработки, с увеличением глубины возрастает опасность горных ударов.

Вышеперечисленные горно-геологические факторы негативно сказываются на технико-экономических показателях при строительстве вертикальных стволов. Практика показывает, что условия проведения вертикальных стволов усугубляются формированием очагов вывалообразования, влияющих на сроки сооружения и стоимость ствола, производительность труда рабочих, увеличение расхода материалов на крепление, учащение случаев травматизма.

Из всего вышесказанного можно выделить перечень проблем горно-строительной отрасли:

- применение неактуальных технико-экономических проектных решений в угоду всеобщей унификации технологии;

- низкие скорость ведения проходческих работ и производительность труда рабочих;

- растущая потребность в освоении запасов глубоких горизонтов и строительстве новых рудников;

- чрезмерное увеличение затрат на возведение крепикапитальных горных выработок, при общем снижении показателей эффективности работы крепи с увеличением толщины.

Оценка перечисленных проблем показывает, что одним из возможных решений сформулированных задач будет применение крепи ствола переменной толщины предложенной профессором, доктором технических наук А. Н. Воробьёвым [1].

Применительно к условиям строящегося Корбалихинского полиметаллического рудника расчет нагрузки на крепь клетевого и скипового стволов на стадии предварительного проектирования выполнен по методике К. В. Руппенейта [3], а толщина крепи рассчитана по формуле Ламе-Гадолина [3].

По методике К. В. Руппенейта величина нагрузки на крепь ствола составляет:

(1)

где – период релаксации напряжения для пород; – время релаксации модуля упругости бетона; – константа уровня состояния для пород; – константа уравнения состояния для бетона; – смещение породы до возведения крепи.

Напряженное состояние крепи определяется по формуле:

(2)

Очевидно, что величина в уравнении (1) является функцией отношения величины радиуса крепи r к толщине крепи δ. На рис. 1 представлены зависимости давления на крепь от соотношения для двух случаев: когда бетон укладывается непосредственно из забоя и когда крепь возводится на расстоянии от забоя и .

Рисунок 1. График давления вмещающих пород на крепь выработки:
1 – бетон укладывается непосредственно из забоя;
2 – крепь возводится на расстоянии.

Значения давления вмещающих пород на крепь стволов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Величина давления на крепь вертикальных стволов, МПа

Тип ствола

Интервал глубин, м

+411,0 ÷ -49,0

-49,0 ÷ -469,0

-469,0 ÷ -728,0

Клетевой ствол

0,23

0,30

0,41

Скиповой ствол

0,23

0,30

Исходя из полученных данных, необходимо применять крепь различной толщины в зависимости от изменения величины внешних нагрузок, воспринимаемых крепью, и её несущей способностью.

Значения толщины монолитной бетонной крепи приведены в табл. 2.

Таблица 2. Толщина монолитной бетонной крепи вертикальных стволов

Тип ствола

Марка бетона

Интервал глубин, м

+411,0 ÷ -49,0

-49,0 ÷ -469,0

-469,0 ÷ -728,0

Клетевой ствол

М300–М400

300 мм

400 мм

450 мм

Скиповой ствол

М300

300 мм

400 мм

Несущую способность крепи стволов круглого сечения определяют, исходя из её прочности по методике Ламе-Гадолина [2]:

(3)

(4)

Значение величин толщины и несущей способности крепи от радиуса приведены в табл. 3.

Таблица 3. Несущая способность крепи

Радиус ствола в свету r0, м

Толщина крепи δ, м

Расчетное предельное значение несущей способности крепи,, МПа

3,5

0,3

1,71

3,5

0,4

2,19

3,5

0,45

2,42

Крепь ствола в виде осесимметричной цилиндрической оболочки переменной толщины [1] на осесимметричную радиальную нагрузку можно рассчитать по формуле Ламе [3]:

; (5)

; (6)

где и – радиальное и тангенциальное напряжения в крепи-оболочке, МПа; p – радиальная постоянная нагрузка на крепь, МПа; a и b – внутренний и внешний радиусы крепи оболочки, м.

Таблица 4. Толщина осесимметричной цилиндрической крепи из бетона марки

Тип ствола

Глубина, м

Толщина крепи min, мм

Марка бетона

Толщина крепи max, мм

Марка бетона

Клетевой

49

150

М200

0,23

6,25

300

М200

0,23

3,18

469

150

М300

0,35

8,15

300

М300

0,35

4,15

728

200

М300

0,50

9,35

400

М300

0,50

5,36

Скиповой

49

150

М200

0,23

5,48

300

М200

0,23

2,80

469

150

М300

0,35

8,34

300

М300

0,35

4,26

Сравнение основных технологических показателей при строительстве вертикальных стволов приведено в таблице 5.

Таблица 5. Сравнение показателей строительства стволов по предлагаемым технологическим схемам.

Тип ствола

Общий объем проходческих работ, м3

Марка бетона

Толщина крепи, мм

Расход бетонной смеси на м.п. ствола

Общий расход бетона, м3

Снижение расхода бетона на строительство крепи ствола, м3

Монолитная бетонная крепь постоянного сечения

Клетевой ствол

68 378,6

М300

М300

М400

300

400

450

7,82

10,56

11,94

11 124,86

Скиповой ствол

39 791,08

М300

М300

300

400

6,88

9,29

6 843,64

Осесимметричная цилиндрическая крепь переменной толщины

Клетевой ствол

68 017,94

М200

М300

М300

150–300

150–300

200–400

5,2

5,2

7,07

6 407,13

42,41 %

Скиповой ствол

39788,78

М200

М300

150–300

150–300

5,2

5,2

4 451,2

34,96 %

При решении задач, связанных с оптимизацией количественных параметров процесса строительства ствола, выбор оптимального варианта строительства выработки производится по величине капитальных и эксплуатационных затрат.

Оценку технологических решений по экономическим критериям следует производить, исходя из фактора надежности. Последний влияет на показатели эффективности вкладываемых средств следующим образом.

Надежность производственных схем, к которым относится строительство стволов и капитальных выработок, обусловливает необходимый уровень интенсивности проведения подземных горных выработок и является функцией надежности составляющих эту системы элементов. В свою очередь, придание элементу или процессу какого-то определенного уровня качества и надежности требует затраты на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации данного объекта.

Таким образом, фактор надежности в строительстве стволов проявляется двояко: через целевую отдачу – ввод ствола эксплуатацию, и издержки строительных организаций для придания отдельным элементам и комплексу проводимых горных выработок определенного уровня устойчивости и надежности.

На основании вышеперечисленного можно сделать следующие выводы.

1. Присооружение вертикальных стволов с изменяющейся толщиной крепи обеспечивается снижение её материалоемкости до 42,4 % при обеспечении расчетной несущей способности крепи.

2. Увеличивается интенсивность возведения крепи ствола за счет уменьшения объема работ по укладке бетонной смеси.

3. Возможно снижение объема проходческих работ за счет периодического изменения размеров диаметра ствола вчерне, при использовании проходческого комплекса с органом избирательного действия.

4. Оценка уровня надежности строительства вертикальных стволов в задачах проектирования подземных сооружений сопряжено с определенными трудностями. Не представляется возможным дифференцированно оценить влияние надежности однотипных элементов и процессов на целевую отдачу, что предполагает установление структуры технологических систем горно-строительного производства в различных горно-геологических и горнотехнических условиях.

Рецензенты:

Анушенков Александр Николаевич, профессор, д-р техн. наук, заведующий кафедрой «Подземной разработки месторождений полезных ископаемых», Институт горного дела, геологии и геотехнологий, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.

Гилев Анатолий Владимирович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Горных машин и комплексов», Институт горного дела, геологии и геотехнологий, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.


Библиографическая ссылка

Вохмин С.А., Урбаев Д.А., Иванов Д.Г., Зайцева Е.В. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=7853 (дата обращения: 21.07.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252