книги из ГПНТБ / Баклашов, И. В. Расчет, конструирование и монтаж армировки стволов шахт

сосуда, направляющих устройств и других параметров системы «подъемный сосуд — армировка».

Если вопрос применения различных профилей для элементов жесткой армировки рассматривать в историческом аспекте, следует отметить, что до недавнего времени в качестве расстрелов применя­ лись исключительно двутавровые, реже швеллерные прокатные профили, а для проводников — железнодорожные рельсы и реже деревянные брусья, главным образом в рудной и горнохимической промышленности. В отечественной практике, начинай с пятидеся­ тых годов, а за рубежом несколько раньше стали применяться спе­ циальные прокатные, гнутые и сварные профили, имеющие, как пра­ вило, замкнутое сечение.

В табл. 1 приведены характеристики применяющихся и рекомен­ дуемых к применению в СССР профилей для расстрелов жёсткой

Взарубежной практике

(ЮАР) наряду с обычными профилями используются профили, представленные на рис. 4, и железобетонные балки.

Данные табл. 1 наглядно демонстрируют преимущества замкну­ тых профилей по сравнению с двутавровыми в отношении прочности и жесткости. Прочностные показатели всех замкнутых профилей (их моменты сопротивления) при деформировании в горизонтальном направлении, т. е. в направлении действия основных эксплуата­ ционных нагрузок, в несколько раз выше, чем у двутавровых, име­ ющих такой же вес. Это достигается в результате развития сечения в горизонтальном направлении и увеличения горизонтальной изгибной жесткости. Последнее обстоятельство представляется особенно

Следует отметить, что моменты сопротивления замкнутых про­ филей при деформировании в вертикальной плоскости несколько ниже. Однако их прочностные показатели при восприятии верти­ кальных аварийных нагрузок, приложенных внедентренно, оста­ ются достаточно высокими, так как замкнутые профили лучше со­ противляются кручению, чем двутавровые.

Долговечность расстрелов в значительной мере определяется коррозийным износом и усталостным разрушением. Усталостному разрушению в условиях изгибо-крутильных деформаций, которые характерны для расстрелов, наиболее подвержены двутавровые профили. Замкнутые профили располагаются в следующей последо­ вательности по степени уменьшения опасности разрушения от по­ явления усталостных трещин: сварные коробчатые, гнутые короб­ чатые, гнутые эллиптические трубы.

Коррозийный износ армировки в стволах с большим водопритоком достигает нескольких десятых долей миллиметра в год. Так, обследование состояния армировки на ряде действующих шахт Донецкого бассейна, выполненное ВНИИОМШСом, показало, что интенсивность коррозии расстрелов колеблется от 0,13 до 0,55 мы в год и в среднем составляет 0,31 мм в год (по данным Южгипрошахта — 0,3 мм в год). Аналогичные исследования КузНИИшахтостроя на шахтах Кузбасса установили интенсивность коррозии от 0,03 до 0,16 мм в год. Замкнутые профили при отсутствии попада­ ния влаги внутрь сечения корродируют в 2 раза медленнее открытых двутавровых профилей, и в этом заключается их значительное пре­ имущество.

Геометрические характеристики поперечных сечений расстрелов, ослабленных коррозийным износом, могут быть вычислены следу­

?и площадь поперечного сечения (см2) расстрела ко времени эксплуатации t (годы);

/р, Ар — соответственно проектные осевой момент инерции (см4) и площадь поперечного речения (см2) рас­

стрела; т|к (і) — безразмерный параметр, являющийся функцией

времени и определяющий коррозийный износ,

\для открытых профилей цк = 2pt/d, для замкну­ тых профилей т]к = рt/d;

Как это следует из формул (1.1) и (1.2), долговечность расстрелов по фактору коррозийного износа зависит от толщины стенки про­

12

филя. Согласно данным табл. 1 толщина стенки применяемых про­ филей d 12 мм. В соответствии с исследованиями, выполненными в работе [3], такая толщина стенки даже для замкнутых профилей является недостаточной. Целесообразно проектировать расстрелы из профилей с толщиной стенки не менее 14 мм. В этом случае не­ которое увеличение металлоемкости армировки значительно увели­ чит ее долговечность и в конечном итоге снизит общий расход металла за весь период эксплуатации ствола.

Эффективным средством антикоррозийной защиты является при­ менение легированных сталей и специальных защитных покрытий. К сожалению, до настоящего времени эти вопросы находятся в ста­ дии исследования.

Замена металлических расстрелов железобетонным рассматри­ вается как средство борьбы с интенсивным коррозийным износом. Однако такое решение проблемы нельзя признать идеальным, ибо при этом общая долговечность армировки снижается. Железобетон­ ные расстрелы плохо сопротивляются знакопеременным динами­ ческим нагрузкам, и усталостные трещины в них могут появиться намного раньше, чем наступит предельное состояние металлических расстрелов в результате коррозийного износа.

Аэродинамическое сопротивление расстрелов воздушной струе является чрезвычайно важным фактором, определяющим выбор профиля. Так, например, замена двутавровых профилей гнутыми прямоугольными с закругленными углами (см. табл. 1) снижает аэродинамическое сопротивление стволов в 2,2—2,4 раза.

Исследования, приведенные в работе [2], показывают, что раци­ ональное отношение высоты профиля к ширине равно 2,2—3. Даль­ нейшее увеличение этого соотношения не приводит к заметному уменьшению аэродинамического сопротивления, но значительно снижает жесткость расстрела в горизонтальной плоскости. Отсут­ ствие закругленных углов у коробчатых профилей, сваренных из угольников, несколько увеличивает их аэродинамическое сопро­ тивление. Например, если квадратный гнутый профиль имеет коэф­ фициент аэродинамического сопротивления 1,27, то квадратный сварной — 1,57. Круглый и эллиптический профили обладают еще более высокими аэродинамическими свойствами. Так, круглый про­ филь по сравнению с квадратным имеет коэффициент 0,56. Специаль­ ные обтекаемые профили для расстрелов (см. рис. 4), применяемые в ЮАР, позволяют снизить аэродинамическое сопротивление ствола на 53% по сравнению с балками прямоугольного сечения.

Следует подчеркнуть, что снижение аэродинамического сопро­ тивления двутавровых профилей может быть достигнуто за счет применения различных обтекателей, показанных на рис. 5. Обтека­ тели могут быть изготовлены из металла и стеклопластика.

В отечественной практике обтекатели были испытаны на шахте им. Менжинского комбината Первомайскуголь в стволе глубиной 777 м. На расстрелы армировки были установлены обтекатели из металла с антикоррозийным покрытием, из нержавеющей стали

13

ипластмасс. В результате установки обтекателей было снижено аэродинамическое сопротивление ствола, на 40%, что дало возмож­ ность увеличить количество подаваемого в шахту воздуха на 15%

иполучить годовой экономический эффект около 100 тыс. руб. В про­ цессе испытаний было установлено также, что обтекатели наиболее

целесообразно изготовлять из полиэтилена. Срок их службы соста­ вляет 15 лет.

Выбор профилей, равноценных по прочности, жесткости и долго­

Сравнение выполнено применительно к скипо-клетевым стволам диаметром 7,5 м, оборудованным двумя скипами грузоподъемностью 50 т и распространенным на рудниках черной и цветной металлур­ гии [2].

Из табл. 2 следует, что наибольшая экономическая эффектив­ ность может быть достигнута в случае замены двутаврового профиля прямоугольным гнутым профилем и составляет около 50 руб. на 1 м ствола. Применение круглого профиля снижает затраты на проветри­ вание, но увеличивает стоимость армировки за счет услояшения конструкции соединений элементов армировки и увеличения сто­ имости монтажных работ. В конечном итоге экономическая эффек­ тивность оказывается намного ниже, чем для прямоугольных гнутых профилей. Квадратный профиль, сваренный из угольников, является экономически нецелесообразным, так как увеличивает затраты на проветривание. Кроме того, стоимость производства сварных про­ филей из угольников выше, чем стоимость гнутых профилей.

Таким образом, учитыбая-всю совокупность технических и эконо­ мических требований, можно утверждать, что в настоящее время наиболее перспективными для расстрелов являются прямоугольные

14

замкнутые профили. Причем, более высокими технико-экономи­ ческими показателями обладают гнутые прямоугольные профили, изготовляемые путем профилирования полосовой стали со сваркой

впотоке.

Внастоящее время при отсутствии специального профилегибоч­ ного стана целесообразно использовать рекомендуемые Южгипрошахтом прямоугольные профили, сваренные из угольников. Эти профили внедрены и зарекомендовали себя вполне работоспособными на шахтах им. Ильича и им. XXII съезда КПСС комбината Кадиевуголь и шахте «Ворошиловградская» № 1 комбината Воропшлов-

градуголь. Технология изготовления сварных профилей освоена на нескольких предприятиях (например, завод им. Бабушкина в г. Днепропетровске, Донецкий завод металлоконструкций, рудо­ ремонтный завод треста Дзержинскруда в Кривом Роге).

Характеристики применяющихся и рекомендуемых к приме­ нению в СССР металлических профилей для проводников жесткой армировки приводятся в табл. 3.

В зарубежной практике (ПНР, ФРГ, Швеция) для проводников используют главным образом коробчатый профиль (рис. 6, а, б), изготовленный путем сварки двух швеллеров № 18 и № 22. В. прак­ тике горнодобывающей промышленности ЮАР применяют прокатный профиль (рис. б, в) из среднеуглеродистой марганцевой стали.

Кроме того, для проводников имеют ограниченное применение профили, сваренные из двух угольников: П-образные, предложенные Гипроцветметом, и Т-образные, предложенные Южгипрошахтом. В качестве новых профилей Южгипрошахт предлагает также одинар­ ные угольники 160 X 160 X 12 или 200 X 200 X 16, которые зало­ жены в проект экспериментального ствола № 1 шахты «ЩегловкаГлубокая».

15

Для проводников используют также деревянные брусья из сосны и лиственницы сечением 160 X 160, 180 X 180, 200 X 200 мм. В ЧССР деревянные проводники изготовляют клеенными из досок толщиной 25, 30 и 40 мм общим „сечением 160 X 180 мм и 200 X X 200 мм.

Основной недостаток рельсовых проводников — малая жесткость при деформировании в боковом направлении, т. е. в направлении продольной оси расстрела, несущего проводник, что является при­ чиной боковых поперечных колебаний сосуда. С другой стороны, рельсовые проводники, имея низкие моменты сопротивления, не могут воспринимать возникающие при этом значительные боковые нагрузки. О преимуществах коробчатых профилей в отношении Жесткостных и прочностных показателей легко судить по данным

Рис. 6. Профили проводников, применяемые в зарубежной практике

момент сопротивления в 8 раз больший. Причем лобовая жесткость и момент сопротивления этого профиля также превышают соответ­ ствующие характеристики рельсового проводника.

Достоинством коробчатых проводников является также их более высокая долговечность. В результате обследования 63 стволов шахт Донбасса ВНИИОМШС установил [4], что средний срок службы рельсовых проводников в 1,5—2 раза ниже, чем расстрелов, и нахо­ дится в пределах 7—8 лет. Проводники, как и все элементы армировки, подвергаются интенсивному коррозийному износу. Для оценки геометрических характеристик поперечных сечений провод­ ников, ослабленных коррозийным износом, могут быть использованы приведенные выше формулы (1.1) и (1.2), где параметр d для рель­ совых проводников равен толщине стенки рельса. При этом необ­ ходимо иметь в виду, что коррозийный износ открытых профилей (рельсы и С-образные профили) в 2 раза больше, чем замкнутых.

Кроме того, в отличие от расстрелов, проводники подвергаются механическому износу при контактировании с направляющими устройствами подъемных сосудов. Особенно интенсивной механи­ ческий износ наблюдается в случае применения рельсовых провод­ ников и жестких направляющих устройств. Например, замеры

2 Заказ 275

износа рельсовых проводников, произведенные ВНИИОМШСом [4] в скиповом стволе шахты № 2 им. Артема, в среднем равны 14 мм за 8 лет. Цричем износ отдельных проводников за тот же срок дости­ гает 25 мм.

Геометрические характеристики поперечных сечений проводни­ ков, подверженных коррозийному и механическому износу, могут быть вычислены по следующим приближенным формулам:

развития усталостныхповреждений. Например, на стволе «Новый» шахты № 17-17-бис после 4 лет работы скипового подъема при ско­ рости 9 м/с началось усталостное разрушение рельсовых проводни­ ков. Уровень знакопеременных боковых нагрузок на рельсовые проводники значительно превышает уровень соответствующих на­ грузок на коробчатые проводники. Таким образом, долговечность рельсовых проводников по условию накопления усталостных по­ вреждений, коррозийному и механическому износу значительно

применять в неглубоких стволах шахт при небольших скоростях подъема. >

Экономическое сопоставление проводников из различных профи­ лей, выполненное в работе [2], показывает, что стоимость гнутых С-образных профилей не превосходит стоимости рельсовых провод­

18

ников, жесткостные и прочностные показатели которых в несколько раз ниже. Стоимость сварных коробчатых профилей, равноценных гнутым профилям по жесткостным и прочностным показателям, в 2 раза больше.

При оценке экономических показателей различных профилей следует учитывать суммарные приведенные затраты на проветрива­ ние и армировку 1 м ствола. Такое сопоставление применительно к жесткой армировке с расстрелами из двутавровых профилей № 36° приведено в табл. 4. Для сравнения жесткостных характеристик

Армировка с рельсовыми проводниками требует увеличения сум­ марных приведенных затрат на 30%, хотя ее условная боковая жесткость в 2 раза ниже. Суммарные затраты на армировку с деревян­ ными проводниками, равноценную по жесткостным характеристикам, увеличиваются на 25% за счет уменьшения шага армировки, соответ­ ствующего увеличения коэффициента аэродинамического сопроти­ вления и расхода металла на расстрелы. Равноценная по жесткости армировка с проводниками из сварных коробчатых профилей требует увеличения затрат на 15%, так как стоимость сварных профилей в 2 раза больше, чем гнутых.

Следовательно, наиболее перспективными для проводников являются гнутые профили. Необходимо подчеркнуть, что в условиях интенсивного коррозийного износа целесообразно применение за­ мкнутых гнутых профилей, имеющих такое же сечение, как С-образ- ные гнутые профили, указанные в табл. 3.

При отсутствии профилегибочного стана проводники для подъ­ емов средней и большой производительности следует проектировать