Алгоритм расчета долговечности жестких армировок шахтных стволов (Северск)

Общая информация

Жесткая армировка представляет собой пространственную систему стержней, состоящую из горизонтальных балок (расстрелов), на которых закреплены вертикальные направляющие (проводники) для перемещения подъемных сосудов. Расстрелы сопряжены между собой и с крепью ствола в одной плоскости и образуют ярусы, которые распределены с определенным шагом по глубине шахтного ствола.

При расчете металлоконструкций армировки решаются две задачи:

• исследуется динамическая устойчивость системы «подъемный сосуд — армировка»;
• определяются прочностные характеристики расстрелов и проводников.

Последние исследования указывают на необходимость учета при проведении прочностных расчетов эффекта «старения системы», которое вызывается механическим износом и коррозионным разрушением элементов конструкции. Интенсивность указанных негативных процессов особенно высока в шахтных стволах соляных рудников, воздушная среда которых характеризуется следующими параметрами:

• повышенная влажность воздуха (до 87 %);
• запыленность пространства из-за просыпания соляной руды при разгрузке скипов и движения частиц пыли в шахте, вызванного восходящими потоками воздуха;
• значительные колебания температур воздуха в течение года (от 15 до 50 ⁰С).

Перечисленные факторы ускоряют коррозионное разрушение металлических конструкций армировки. Поэтому расчет долговечности эксплуатируемых стволов является актуальной задачей для обеспечения безопасного производства горных работ.

Методика расчета

Методика расчета долговечности жесткой армировки построена на изменении площади поперечного сечения, моментов инерции и сопротивления металлических расстрелов и проводников, которые вызваны коррозией и механическим износом при эксплуатации. Геометрические характеристики элементов варьируются до достижения конструкцией армировки предельных состояний I-й или II-й группы. Блок-схема алгоритма расчета (рис. 1) состоит из четырех частей.

В первой проверяется запас динамической устойчивости движения подъемного сосуда при воздействии боковых и лобовых колебаний. Сравниваются величины действительного лобового (К_y) и бокового (К_x) запасов с соответствующими допустимыми значениями [К_y] и [К_x].

При выполнении условий К_y ≥ [К_y] и К_x ≥ [К_x] расчет продолжается во второй части. Здесь рассчитываются лобовые и боковые нагрузки, действующие на расстрелы и проводники, и сравниваются напряжения в этих элементах с пределом текучести материала.

Если условие прочности выполняется, то приступают к выполнению третьей части расчета, в которой определяется расчетный прогиб проводника между ярусами и на ярусах.

В случае когда расчетная величина прогиба меньше допустимого значения, переходят к четвертому разделу. Здесь производится перерасчет моментов инерции и сопротивления, а также площади поперечного сечения расстрелов и проводников с учетом скорости коррозионного разрушения и механического износа на определенный момент времени эксплуатации армировки.

Откорректированные значения поступают в блок исходных данных, и цикл повторяется. Расчет продолжается до тех пор, пока не наступят предельные состояния первой или второй группы. Момент времени, соответствующий последней итерации, принимается за долговечность системы, а толщины стенок профилей соответствуют предельно допустимым величинам.

Перерасчет в четвертой части блок-схемы производится по формулам, учитывающим изменение размеров сечений балок в процессе эксплуатации под действием факторов износа. Например, момент инерции замкнутого профиля изношенного коррозией расстрела в момент времени Т_э вычисляется по формуле:

I (T_э) = I_п (1 – ρd_c^-1T_э), [м⁴],      (1)

где I_п — проектная величина момента инерции [м⁴];

d_c — номинальное значение стенки профиля балки [м];

ρ — скорость коррозионного износа [м/год];

Т_э — продолжительность эксплуатации [год].

Формулы для пересчета моментов инерции профилей другой геометрии расстрелов записываются аналогично. Для проводниковых балок к коррозионному добавляется механический износ.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма определения срока службы армирования ствола

Рекомендации по расчету

По алгоритму предполагается определение действующих нагрузок в процессе эксплуатации расчетным способом. Однако, как показывает опыт, фактические величины сил и изгибающих моментов могут превышать теоретические. Специальные измерения, проведенные АО «ВНИИ Галургии» в условиях Верхнекамского месторождения, показали, что действительные нагрузки при движении подъемного сосуда могут превышать расчетные величины в 1,5–2 раза. Специалисты института рекомендуют выполнять расчет по вышеприведенной методике с учетом замеренных в процессе эксплуатации лобовых и боковых нагрузок.

На основании алгоритма была разработана программа «Расчет армировки». Одним из ее разработчиков — Пестриковой В. С. были выполнены расчетные исследования долговечности армировки в действующих стволах рудников ПАО «Уралкалий». Расчет интенсивности коррозионного разрушения производился по формуле:

ρ = (d_c - d_k) T_э^-1 [м/год],          (2)

где d_k — величина остаточной толщины стенки профиля расстрела [м];

d_c — номинальное значение стенки балки [м].

При расчете долговечности исследователем учитывался факт многолетних наблюдений, что в первые десять лет эксплуатации на данном руднике антикоррозионная защита выполняет свои функции. На основании этого фактический срок службы армировки был снижен на этот период. По программе определялось время (Т_э), по истечении которого армировка коробчатого профиля теряет прочность при действующих нагрузках. Далее по формуле (1) вычислялся момент инерции I(T_э), с использованием которого рассчитывалась минимально допустимая толщина стенки расстрелов d(Т_э).

Допустимый износ от коррозии выражался в процентах от номинальной толщины стенки по формуле:

Δ = 100[d_с – d(Т_э)] d_с^-1 [%].     (3)

Результаты представлены в виде таблицы.

Расчеты армировки ствола позволяют выявлять расстрелы, износ которых близок к предельному, что предотвращает вероятность аварий. Возможным решением может быть также введение ограничений на скорость подъема скипов и клетей.

Требования к конструкции

Конструкция жесткой армировки должна выбираться исходя из надежной работы подъемных сосудов в течение всего срока службы шахтного ствола. Это обеспечивается правильным подбором материалов для изготовления расстрелов и проводников, к которым предъявляют следующие требования:

• стойкость к коррозионному разрушению;
• прочность и жесткость;
• свариваемость при минимальном снижении прочностных свойств материала.

При отсутствии агрессивной среды расстрелы и проводники изготавливают из углеродистых марок сталей ВСт3Гпс5 и ВСт3сп5. Если в стволе присутствуют коррозионно-активные среды, то применяют низколегированные сплавы 10Г2С1, 10ХСНД, 09Г2С и 15ХСНД, более прочные и стойкие к коррозионному разрушению. Сталь применяется в виде тонкостенных профилей: швеллеров, двутавровых балок, уголков, замкнутых прямоугольных и эллиптических конструкций, которые изготавливают сваркой, гибкой или на прокатных станах.

Проводники также производят из рельсов, горячекатаных бесшовных труб и специальных гнутосварных профилей. Если расстрелы работают на растяжение-сжатие с относительно небольшими деформациями, то может подойти вариант стальной трубы со стенкой 4–6 мм, заполненной бетонной смесью. При изготовлении расстрелов из прямоугольных профилей предпочтение отдают вариантам, имеющим отношение высоты к ширине 2,2–3. Такие модели имеют наименьшее аэродинамическое сопротивление. С этой целью применяют также различные обтекатели.

Схемы армировки

Конструкцию системы разрабатывают исходя из грузоподъемности, скорости движения и высоты подъема скипа или клети, числа сосудов, их размеров в плане и ориентации проводников. Наиболее распространенные варианты расположения подъемных сосудов и проводников изображены на рис. 2:

• боковое одностороннее (а);
• лобовое двухстороннее (б);
• боковое двухстороннее (в);
• диагональное (г);
• лобовое одностороннее (д).

Рис. 2. Позиции 1 и 2 — проводники

В скиповых типах используется вариант в и односторонние версии. В клетевых разновидностях лучше применять варианты б и д. Одностороннее расположение подойдет при искривлениях ствола, возможных сдвигах поперечных сечений и скоростях подъема малонагруженных клетей до 10 м/с.

Правильный выбор шага армировки — гарантия надежной работы подъемной установки. Для металлических коробчатых моделей проводников ярусы располагают на расстоянии от 3 до 6 м.