Способ крепления шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами Российский патент 2022 года по МПК E02D29/00 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению вертикальных горных выработок круглого сечения в условиях высокого горного давления.

Уровень техники

Известен способ крепления выработок железобетонными тюбингами (коммерческое предложение «https://helpiks.org/3-43089.html»), включающий использование тюбингов, состоящих из тонкостенной оболочки с арматурной сеткой и фланцевых ребер жесткости с арматурным каркасом, включающим: линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую арматуру и армируемые поперечные скобы с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования.

Недостатком известного способа является низкая несущая способность железобетонных тюбингов.

Известен наиболее близкий способ, использующий железобетонный тюбинг для крепления шахтных стволов круглого сечения (описание изобретения к авторскому свидетельству SU 106179, класс 5с, 8. Заявлено 10.02.1955), включающий использование тюбингов, состоящих из тонкостенной оболочки с арматурной сеткой и фланцевых ребер жесткости с арматурным каркасом, включающим: линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую арматуру и армируемые поперечные скобы с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования.

Недостатком наиболее близкого объекта является низкая несущая способность железобетонных конструкций.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является повышение несущей способности железобетонной крепи в виде опорных колец и тюбингов в условиях шахтного ствола вертикальной горной выработки круглого сечения.

Настоящий технический результат достигается в способе крепления шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами, включающем изготовление железобетонного опорного кольца в стволе с арматурным каркасом трапециевидной формы из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, предварительное изготовление и доставку в ствол железобетонных тюбингов, последовательную установку и монтаж горизонтальных колец из железобетонных тюбингов, метизное крепление тюбингов между собой и анкерное крепление тюбингов первого ряда к опорному кольцу, причем при изготовлении железобетонного опорного кольца в стволе арматурный каркас выполняют из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб стальной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опорное кольцо, для нелинейной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают радиально к оси ствола и перпендикулярно плоскостям поперечного сечения кольца, установку и монтаж горизонтальных колец выполняют из железобетонных тюбингов, арматурный каркас которых, включающий линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую, по дуге нелинейного участка, в виде сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга, стальную арматуру и армируемые поперечные скобы выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, с возможностью совмещения длинной оси эллипса арматуры с максимальными нагрузками на железобетонный тюбинг.

Отличительными признаками являются:

при изготовлении железобетонного опорного кольца в стволе арматурный каркас выполняют из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб стальной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, что повышает несущую способность опорного кольца и крепи выработки в целом;

совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опорное кольцо, для нелинейной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают радиально к оси ствола и перпендикулярно плоскостям поперечного сечения опорного кольца, такое ориентирование максимального момента сопротивления увеличивает жёсткость каркаса железобетонного опорного кольца и в целом крепи шахтного ствола;

установку и монтаж горизонтальных колец выполняют из железобетонных тюбингов, арматурный каркас которых, включающий линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую, по дуге нелинейного участка, в виде сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга, стальную арматуру и армируемые поперечные скобы выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, с возможностью совмещения длинной оси эллипса арматуры с максимальными нагрузками на железобетонный тюбинг, это повышает несущую способность железобетонного тюбинга с опорной поверхностью сегмента окружности цилиндра в условиях вертикальной горной выработки с равномерным горным давлением на его поверхность.

Несущую способность железобетонного опорного кольца и железобетонных тюбингов шахтного ствола устанавливают до оптимального соотношения величин осей эллипса большей к меньшей в пространственном позиционировании стальной арматуры в силовых нагрузках горного давления.

Момент сопротивления по оси максимальной нагрузки эллипса с соотношением большей оси к меньшей 2,6 (см. табл.) и с площадью равной площади поперечного сечения круга диаметром 14 мм, увеличился в 1,634 раза, т.е. на +63,4%, (см. табл.) момент сопротивления по оси минимальной нагрузки, в аналогичных условиях, уменьшился до 0,62 раза или -38%. Суммарный момент сопротивления по обеим осям увеличится в 1,127 раза, т.е. на +12,7%.

Сравнение заявляемого решения с аналогом и прототипом не выявило в них признаки, заявляемого решения, это позволило сделать вывод о соответствии критерию «новизна».

Наименование показателя Круг,
диаметр 14 мм Эллипс 1. Длина осей, мм
14 х 14 22,766353 х 8,6508726 2. Соотношение величин осей i=1,0 i=2,619 3. Площадь поперечного сечения, см² 1,5386 1,5386 4. Момент сопротивления по max оси, см³ 0,26926 0,4399735 5. Момент сопротивления по min оси, см³ 0,26926 0,1671833 6. Суммарный момент сопротивления, см³ 0,53852 0,6071568

Табл.

Краткое описание таблицы и рисунков

В табл. представлена взаимосвязь соотношения величин осей эллипса и круга с моментами сопротивления по разным осям эллипса и круга с одинаковой площадью по данным [3].

На фиг. 1 приведен изометрический вид железобетонного тюбинга для крепления шахтного ствола круглого сечения, включающий:

1 – упорную поверхность фланцевого ребра жесткости тюбинга с зажимным выступом;

2 - бетонное тело тюбинга;

3 – отверстие под крепёж с соседним тюбингом;

4 - линейный арматурный пруток в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга;

5- нелинейный арматурный пруток в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга по контуру окружности;

6 – арматурную сетку;

7 - упорную поверхность фланцевого ребра жесткости тюбинга с зажимной впадиной;

8 – несущую поверхность тюбинга в виде сегмента цилиндра;

10 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса;

11 - фланцевое ребро жесткости тюбинга.

На фиг. 2 показан Вид А с фиг. 1, включающий: 1 – упорную поверхность фланцевого ребра жесткости тюбинга с зажимным выступом;

На фиг. 3 показан Вид Б с фиг. 1, включающий: 7 – упорную поверхность фланцевого ребра жесткости тюбинга с зажимной впадиной;

На фиг. 4 показан разрез А-А с фиг. 1 линейного арматурного прутка в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга, включающий: 4 - линейный арматурный пруток в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга.

На фиг. 5 показан разрез Б-Б с фиг. 1 нелинейного арматурного прутка в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга по контуру окружности, включающий: 5- нелинейный арматурный пруток в каркасе фланцевого ребра жесткости тюбинга по контуру окружности.

На фиг. 6 показан разрез В-В с фиг. 1 арматурной скобы, связывающей ряды каркаса тюбинга, включающей: 10 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса тюбинга.

На фиг. 7 приведен изометрический вид сегмента шахтного ствола круглого сечения с креплением железобетонными тюбингами, включающий:

3 – отверстие под крепёж с соседним тюбингом;

9 – выемка под опорное кольцо;

11 - фланцевое ребро жесткости тюбинга;

12 - сечение вертикальной горной выработки в черне;

13 – монолитное бетонное тело железобетонного опорного кольца в стволе;

14 - нелинейная стержневая рабочая арматура в виде окружности в каркасе опорного кольца;

15 - арматурная скоба, связывающая ряды каркаса опорного кольца;

16 - отверстие под анкерный крепёж в опорном кольце.

На фиг. 8 показан разрез Г-Г с фиг. 7 нелинейного арматурного прутка в каркасе опорного кольца ствола по контуру окружности, включающий: 14- нелинейный арматурный пруток в каркасе опорного кольца ствола по контуру окружности.

На фиг. 9 показан разрез Д-Д с фиг. 7 арматурной скобы, связывающей ряды каркаса опорного кольца ствола, включающей: 15 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса опорного кольца ствола.

Осуществление изобретения

Изготовление элементов крепи вертикальных горных выработок круглого сечения в виде железобетонных тюбингов с опорной поверхностью сегмента окружности вертикального цилиндра включает подготовку формовочных ящиков, обеспечивающих монтаж тюбингами кругового сечения выработки. Монтаж арматуры в каркас для формовочного ящика выполняют в индивидуальном монтажном шаблоне. Подготовку скоб 10 из стальной арматуры выполняют загибанием углов на 90^о вокруг длинной оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом в горне кузнецы или газовой горелкой, с расположением длинной оси эллипса в плоскости скобы 10. Подготовку нелинейного участка под соответствующий радиус окружности арматурного прутка 5 для несущей круглой поверхности тюбинга 8 выполняют прокаткой на вальцах. Монтаж линейных отрезков арматурного каркаса, предварительно выполняют в специализированном шаблоне, позволяющем ровно совместить длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на железобетонный тюбинг, такой монтаж арматурного каркаса повышает несущую способность крепи. Для линейной арматуры 4 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с перпендикуляром к фланцевым ребрам жесткости 11 по радиусу сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга, для армируемых поперечных скоб 10 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса установлен перпендикулярно плоскостям фланцевых ребер жесткости 11, для нелинейной арматуры 5 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен в радиальном направлении сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга 8. На подготовленный арматурный каркас фиксируют арматурную сетку 6, предварительно подготовив нелинейную поверхность по сегменту на вальцах. В формовочных ящиках стенки фланцевых ребер жесткости 11 в местах упорной поверхности с зажимным выступом 1 и упорной поверхности тюбинга с зажимной впадиной 7 выполняют с трапецеидальными формами. В формовочных ящиках в стенках фланцевых ребер жесткости 11 устанавливают стержни для исполнения отверстий 3 под крепёж с соседним тюбингом. Железобетонные тюбинги исполняют, применяя вибрационное уплотнение бетонного тела 2.

Способ, реализующий крепление шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами, работает следующим образом.

Крепление шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами начинают выполнять на предварительно изготовленной выемки 9 опорного кольца ствола 13. Для изготовления железобетонного опорного кольца в стволе выполняют арматурный каркас из нелинейной стержневой рабочей арматуры 14 по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб 15 стальной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы. Подготовку нелинейного участка под соответствующий радиус окружности арматурного прутка 14 для несущей круглой поверхности опорного кольца 13 выполняют прокаткой на вальцах по расчетному диаметру в виде сегментов, позволяющих опустить в горную выработку по габаритам. Подготовку скоб 15 из стальной арматуры выполняют загибанием углов на 90^о вокруг длинной оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом в горне кузнецы или газовой горелкой, с расположением длинной оси эллипса в плоскости скобы 15. Совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опорное кольцо. Для нелинейной арматуры 14 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб 15 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают радиально к оси ствола и перпендикулярно плоскостям поперечного сечения кольца 13. Вертикальную опалубку устанавливают по линии сечения горной выработки в свету 17 равную внутреннему радиусу фланцевого ребра жесткости тюбинга 11. Создают бетонное тело 13 железобетонного опорного кольца в стволе применяя вибрационное уплотнение бетона. Нижние опорные фланцы тюбингов на кольце устанавливают на кладочный раствор и закрепляют анкерами через отверстие 16 под анкерный крепёж в опорном кольце. Между собой железобетонные тюбинги соединяют упорными поверхностями с зажимными выступами 1 и упорными поверхностями следующего тюбинга с зажимными впадинами 7 с трапецеидальными формами. Фиксируют между собой тюбинги через отверстие под крепёж 3 болтовыми соединениями.

Таким образом повышение несущей способности железобетонной крепи достигают изменением геометрической формы арматуры с той же самой площадью и с тем же самым материалом увеличивая момент сопротивления в заданном направлении горного давления вертикальной выработки.

Источники информации

1. Коммерческое предложение «https://helpiks.org/3-43089.html», считывание 04.10.2021 в 11-26.

2. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU 106179, класс 5с, 8. Заявлено 10.02.1955.

3. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.; отв. ред. Писаренко Г.С. – 2-е изд., перераб. и доп. – Киев: Наук. думка, 1988. – 736 с. (58, 74 с.).

Заявляемое изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению вертикальных горных выработок круглого сечения в условиях высокого горного давления. Способ крепления шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами включает изготовление железобетонного опорного кольца в стволе с арматурным каркасом трапециевидной формы из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, предварительное изготовление и доставку в ствол железобетонных тюбингов, последовательную установку и монтаж горизонтальных колец из железобетонных тюбингов, метизное крепление тюбингов между собой и анкерное крепление тюбингов первого ряда к опорному кольцу. При изготовлении железобетонного опорного кольца в стволе арматурный каркас выполняют из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб стальной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опорное кольцо, для нелинейной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают радиально к оси ствола и перпендикулярно плоскостям поперечного сечения кольца. Установку и монтаж горизонтальных колец выполняют из железобетонных тюбингов, арматурный каркас которых, включающий линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую, по дуге нелинейного участка, в виде сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга, стальную арматуру и армируемые поперечные скобы выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы с возможностью совмещения длинной оси эллипса арматуры с максимальными нагрузками на железобетонный тюбинг. Технический результат состоит в повышении несущей способности железобетонной крепи в виде опорных колец и тюбингов в условиях шахтного ствола вертикальной горной выработки круглого сечения. 1 табл., 9 ил.

Способ крепления шахтного ствола круглого сечения железобетонными тюбингами, включающий изготовление железобетонного опорного кольца в стволе с арматурным каркасом трапециевидной формы из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, предварительное изготовление и доставку в ствол железобетонных тюбингов, последовательную установку и монтаж горизонтальных колец из железобетонных тюбингов, метизное крепление тюбингов между собой и анкерное крепление тюбингов первого ряда к опорному кольцу, отличающийся тем, что при изготовлении железобетонного опорного кольца в стволе арматурный каркас выполняют из нелинейной стержневой рабочей арматуры по дугам окружностей в кольце и армируемых поперечных скоб стальной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опорное кольцо, для нелинейной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают радиально к оси ствола и перпендикулярно плоскостям поперечного сечения кольца, установку и монтаж горизонтальных колец выполняют из железобетонных тюбингов, арматурный каркас которых, включающий линейную продольную стержневую рабочую, нелинейную стержневую рабочую, по дуге нелинейного участка, в виде сегмента окружности вертикального цилиндра тюбинга, стальную арматуру и армируемые поперечные скобы выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы с возможностью совмещения длинной оси эллипса арматуры с максимальными нагрузками на железобетонный тюбинг.