Способ крепления шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном Российский патент 2023 года по МПК E21D5/04 E21D11/15 

Область техники

Изобретение относится к горному делу, а именно к сооружению эллипсного шахтного ствола в условиях высокого горного давления.

Уровень техники

Известно устройство крепь шахтного ствола (описание изобретения к авторскому свидетельству SU1747704, МПК E21D 5/04, опубл. 15.07.1992 Бюл. №26), включающая несущую железобетонную оболочку, компенсационную оболочку с разделенными каналами жесткости вертикальными каналами и внешнюю оболочку.

Недостатком известного устройства является низкая надежность монолитной композитобетоной крепи эллипсного шахтного ствола.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ устройства монолитной железобетонной крепи вертикальной горной выработки (Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, И.А. Гудкова и др. 1976, 263 с., с.90-91), включающий сооружение бетонного тела, установление горизонтальной продольной стержневой, вертикальной стержневой, по дуге свода стальной арматуры и армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования.

Недостатком наиболее близкого способа является низкая надежность монолитной композитобетоной крепи эллипсного шахтного ствола.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является повышение надежности монолитной композитобетоной крепи эллипсного шахтного ствола.

Указанный технический результат достигается в способе крепления шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном, включающем изготовление композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, включающего выполнение арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам в кольце и армируемых поперечных скоб композитной арматуры, создание бетонного тела композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, возведение крепи из монолитного композитобетона включающее сборку и установку арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам окружностей в стволе на композитобетонное опорное эллипсное кольцо, создание бетонного тела боковой поверхности крепи эллипсного ствола, при этом установка армируемых поперечных скоб выполняется с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, при этом вертикальные продольные стержневые, горизонтальные стержневые композитные арматуры, а также армируемые поперечные скобы композитной арматуры выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом для композитобетонного опорного эллипсного кольца совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на 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, а для композитобетонной крепи в стволе длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь эллипсного шахтного ствола, для вертикальных и горизонтальных арматур максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением перпендикуляра к центру эллипсного ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси эллипсного ствола.

Отличительными признаками являются:

- изготовление композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, включающего выполнение арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам в кольце и армируемых поперечных скоб композитной арматуры, создание бетонного тела композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, возведение крепи из монолитного композитобетона включающее сборку и установку арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам окружностей в стволе на композитобетонное опорное эллипсное кольцо, создание бетонного тела боковой поверхности крепи эллипсного ствола, при этом установка армируемых поперечных скоб выполняется с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, это повышает надежность монолитной композитобетоной крепи;

- вертикальные продольные стержневые, горизонтальные стержневые композитные арматуры, а также армируемые поперечные скобы композитной арматуры выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом для композитобетонного опорного эллипсного кольца совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на 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, а для композитобетонной крепи в стволе длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь эллипсного шахтного ствола, для вертикальных и горизонтальных арматур максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением перпендикуляра к центру эллипсного ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси эллипсного ствола, такое направление увеличивает жёсткость каркаса и крепи в целом.

Принцип надежности арматуры состоит в том, что с изменением геометрической формы арматуры с той же самой площадью и с тем же самым материалом увеличивается момент сопротивления в определенном направлении, а значит увеличится и надежность конструкции в этом направлении.

Повышение несущей способности крепи определяют до оптимального соотношения величин осей эллипса большей к меньшей в пространственном позиционировании композитной арматуры в силовых нагрузках.

Момент сопротивления по оси максимальной нагрузки, эллипса с соотношением большей оси к меньшей 1,7 и с площадью равной площади поперечного сечения круга диаметром 28 мм, увеличился в 1,279 раза, т.е. на +27,9%, см. табл. Момент сопротивления по оси минимальной нагрузки, в аналогичных условиях, уменьшился до 0,75 раза или -25,0%. Суммарные моменты сопротивления по обеим осям увеличились в 1,016 раза, т.е. на +1,6%.

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

Краткое описание таблицы и рисунков

В таблице (см. в графической части) 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 монолитной композитобетонной крепи эллипсного шахтного ствола, включающей: 1 – горизонтальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса; 2 - горизонтальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса; 3 – сечение ствола вчерне; 4 - вертикальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса; 5 - вертикальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса; 6 – бетонное тело; 7 – сечение ствола в свиту; 8 - арматурная скоба между рядами каркаса; 9 – вязальное крепление вертикального арматурного прутка; 10 – анкер закрепленный для фиксации вертикальной арматуры; 11 – шпур для крепления анкера; 12 - выемка под опорное эллипсное кольцо; 13 – монолитное бетонное тело композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе; 14 - нелинейная стержневая арматура в виде эллипса в каркасе опорного кольца; 15 - арматурная скоба, связывающая ряды каркаса опорного эллипсного кольца.

На фиг. 2 показан разрез А-А с фиг.1 вертикального арматурного прутка внешнего ряда каркаса, включающий: 4 - вертикальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса; 16 - угол пространственного позиционирования вертикального арматурного прутка.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б с фиг.1 горизонтального арматурного прутка внутреннего ряда каркаса, включающий: 1 – горизонтальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса.

На фиг. 4 показан разрез В-В с фиг.1 арматурной скобы между рядами каркаса, включающий: 8 - арматурная скоба между рядами каркаса.

На фиг. 5 показан разрез Г-Г с фиг. 1 нелинейного арматурного прутка в каркасе опорного эллипсного кольца ствола по контуру эллипса, включающий: 14- нелинейный арматурный пруток в каркасе опорного эллипсного кольца ствола по контуру эллипса.

На фиг. 6 показан разрез Д-Д с фиг. 1 арматурной скобы, связывающей ряды каркаса опорного эллипсного кольца ствола, включающей: 15 - арматурную скобу, связывающую ряды каркаса опорного эллипсного кольца ствола.

Осуществление изобретения

Пример выполнения способа.

Для крепления шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном на специализиронном участке предприятия изготавливают композитную арматуру, предусмотренную проектом по форме и размерам сечения арматуры, по размерам и форме прутков и скоб.

Основным сырьем для производства композитной арматуры является стеклоровинг, базальторовинг, арамидоровинг и углепластикоровинг. Показатели, характеризующие несущую способность композитной арматуры такие как: предел прочности при растяжении, модуль упругости при растяжении, предел прочности при сжатии, предел прочности при поперечном срезе, приведены в источнике [4]. Для всех материалов повышение несущей способности, за счет изменения геометрической формы несущего стержня, в поперечном сечении и пространственного позиционирования композитной арматуры в силовых нагрузках является эффективным.

Основным сырьем для производства стеклопластиковой арматуры является стеклоровинг. Его изготавливают путем расплавления алюмоборосиликатного стекла с последующим вытягиванием в нить толщиной от 10 до 20 микрон. Нити, пропитанные специальным замасливателем, собираются в пучок называемый стеклоровингом.

Кроме ровинга для изготовления стеклопластиковой арматуры требуется: смолы; намоточный жгут в виде ровинга, который идет на обмотку стержня арматуры; спирт этиловый; ацетон; дициандиамид.

Технология производства композитной арматуры заключается в следующем: нити ровинга (в количестве 60 штук) со специального устройства в виде шпулярника поступают на механизм натяжения, в котором они располагаются в соответствующем порядке; скомпонованные в нужном порядке нити проходят стадию сушки и предварительного подогрева горячим воздухом; подогретый ровинг погружают в пропиточную ванну; из ванны материал протягивается через фильеру для получения заданной площади сечения эллипсовидной формы будущей арматуры. После фильеры нити поступают в обмотчик, формирующий несущий стержень арматуры с обмоткой. Толщина навивки зависит от типа арматуры: более толстая делается намоточным жгутом для классического устройства, тонкая – при изготовлении стержней с песчаной посыпкой; подготовленная на обмоточнике арматура проходит туннельную печь. Туннельная печь предназначена для ускорения процесса полимеризации пропиточных смол; горячий пруток арматуры отправляется в охлаждающую ванну, где под проточной водой он полностью охлаждается; непрерывный, охлажденный пруток пропускается через протягивающий механизм, на выходе из которого производится резка линейных прутков согласно заданному размеру [5]. Профилирующая фильера может быть выполнена, например, в виде разъемной стальной конструкции, состоящей из двух прямоугольников с отфрезерованной и обработанной канавкой полуэллипса по длине каждой части, которые при смыкании образуют эллипсную поверхность, соответствующую площади целевого устройства приравненной к площади заданной окружности. Изготовление скоб и сегментов окружностей выполняют следующей последовательностью. Горячий жгут после туннельной печи режут в виде заготовки прутков для загибания скоб, при необходимости используют газовые горелки. Для загибания сегментов окружности на вальцах используют заданную заготовку прутков. Готовые нелинейные изделия композитной арматуры отправляют в охлаждающую ванну.

Крепление шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном начинают выполнять на предварительно изготовленной выемки 12 опорного эллипсного кольца ствола 13. Для изготовления композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе выполняют арматурный каркас из нелинейной стержневой арматуры 14 по эллипсным дугам в кольце и армируемых поперечных скоб 15 композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы. Подготовку нелинейного участка под соответствующий радиус эллипса арматурного прутка 14 для несущей эллипсной 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 композитной арматуры выполняют загибанием углов на 90^о вокруг длинной оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом 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 эллипсного кольца 13. Вертикальную опалубку устанавливают по линии сечения горной выработки в свету 7. Создают бетонное тело 13 композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе применяя вибрационное уплотнение бетона. Далее процесс возведения крепи из монолитного композитобетона включает разбивку линий эллипса шахтного ствола в свету 7, сборку и установку арматуры в каркас на опорное эллипсное кольцо. Подготовку скоб 8 из композитной арматуры выполняют загибанием углов на 90^о вокруг продольной оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом газовой горелкой, с расположением длинной оси эллипса в плоскости скобы 8. Подготовку горизонтальных арматурных прутков внутреннего ряда каркаса 1 и горизонтальных арматурных прутков внешнего ряда каркаса 2 выполняют прокаткой на вальцах по расчетному эллипсу в виде сегментов, позволяющих опустить в горную выработку по габаритам. Это может быть 1/2 или 1/3 эллипса с учетом совмещения при монтаже. Монтаж линейных отрезков арматурного каркаса выполняют по месту расположения, предварительно бурят шпуры 10 устанавливают в них анкеры 11, которые являются основанием для совмещения длинной оси эллипса арматуры с максимальными нагрузками на крепь и фиксации в таком положении. Первоначально к анкерам 11 фиксируют вертикальные арматурные прутки внешнего ряда каркаса 4 на вязальное соединение 9 по расчетному эллипсу и углу пространственного позиционирования 16 вертикального арматурного прутка. Затем устанавливают горизонтальные арматурные прутки внешнего ряда каркаса 2 соединяя их с вертикальными арматурными прутками внешнего ряда каркаса 4 на вязальное соединение 9. Аналогично монтируют вертикальные арматурные прутки внутреннего ряда каркаса 5, горизонтальные арматурные прутки внутреннего ряда каркаса 1. Армируемые поперечные скобы 8 устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Вертикальную опалубку устанавливают по линиям сечения в свету 7 и создают бетонное тело 6 боковой поверхности крепи эллипсного ствола применяя вибрационное уплотнение бетона.

Таким образом, повышение надежности монолитной композитобетонной крепи эллипсного шахтного ствола достигают изменением геометрической формы арматуры с той же самой площадью и с тем же самым материалом, увеличивая момент сопротивления в заданном направлении.

Источники информации

1. Описание изобретения к авторскому свидетельству SU1747704, МПК E21D 5/04, опубликовано 15.07.1992 Бюл. №26;

2. Горно-инженерная графика. М., Недра, Г.Г. Ломоносов, А.И. Арсентьев, И.А. Гудкова и др. 1976, 263 с., с. 90-91;

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.);

4. http://met-all.org/metalloprokat/sortovoj/stekloplastikovaya-armatura-nedostatki-preimushhestva.html;

5. http://promresursy.com/materialy/proizvodstvo/oborudovanie/stanki-dlya-stekloplastikovoy-armatury.html.

Изобретение относится к способу крепления шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном. Техническим результатом является повышение надежности монолитной композитобетоной крепи эллипсного шахтного ствола. Способ включает изготовление композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, включающего выполнение арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам в кольце и армируемых поперечных скоб композитной арматуры. Также способ включает создание бетонного тела композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе. Также включает возведение крепи из монолитного композитобетона, включающее сборку и установку арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам окружностей в стволе на композитобетонное опорное эллипсное кольцо. Также способ включает создание бетонного тела боковой поверхности крепи эллипсного ствола. Установка армируемых поперечных скоб выполняется с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Вертикальные продольные стержневые, горизонтальные стержневые композитные арматуры, а также армируемые поперечные скобы композитной арматуры выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы. Для композитобетонного опорного эллипсного кольца совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на 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. Для композитобетонной крепи в стволе длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь эллипсного шахтного ствола. Для вертикальных и горизонтальных арматур максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением перпендикуляра к центру эллипсного ствола. Для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси эллипсного ствола. 6 ил., 1 табл.

Способ крепления шахтного ствола эллипсного сечения монолитным композитобетоном, включающий изготовление композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, включающего выполнение арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам в кольце и армируемых поперечных скоб композитной арматуры, создание бетонного тела композитобетонного опорного эллипсного кольца в стволе, возведение крепи из монолитного композитобетона, включающее сборку и установку арматурного каркаса из нелинейной стержневой арматуры по эллипсным дугам окружностей в стволе на композитобетонное опорное эллипсное кольцо, создание бетонного тела боковой поверхности крепи эллипсного ствола, при этом установка армируемых поперечных скоб выполняется с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, при этом вертикальные продольные стержневые, горизонтальные стержневые композитные арматуры, а также армируемые поперечные скобы композитной арматуры выполняют поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом для композитобетонного опорного эллипсного кольца совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на 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, а для композитобетонной крепи в стволе длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь эллипсного шахтного ствола, для вертикальных и горизонтальных арматур максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением перпендикуляра к центру эллипсного ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси эллипсного ствола.