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

Область техники

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

Уровень техники

Известно устройство крепь шахтного ствола (описание изобретения к авторскому свидетельству SU1747704, МПК E21D 5/04, опубликовано 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 прямоугольного 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. ийАрсентьев, И.А. Гудкова и др. 1976, 263 с., с. 90-91) включающий сооружение бетонного тела, установление горизонтальной продольной стержневой, вертикальной стержневой стальной арматуры и армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования.

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

Раскрытие изобретения

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

Указанный технический результат достигается в способе крепления шахтного ствола прямоугольного сечения монолитным композитобетоном, включающем изготовление прямоугольной опоры и крепи в стволе с арматурным каркасом из линейной стержневой арматуры по стенам прямоугольника в опоре и стволе, вертикальную стержневую, горизонтальную продольную стержневую рабочую арматуру, а также армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, предварительное изготовление и доставку в ствол элементов каркаса и бетона, последовательный монтаж арматурного каркаса, установку опалубки и заливку бетоном, причем прямоугольная опора и крепь в стволе изготавливается из композитобетона, при изготовлении композитобетонной прямоугольной опоры в стволе, арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в опоре, и армируемых поперечных скоб и композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, после чего создают бетонное тело композитобетонной прямоугольной опоры, при этом для каркаса композитобетонной прямоугольной опоры совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опору, для линейной 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 перпендикулярно плоскостям поперечного сечения опоры, а при изготовлении композитобетонной крепи в стволе арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в стволе, и вертикальных стержневых, горизонтальных продольных стержневых рабочих композитных арматур, а также армируемых поперечных скоб композитной арматуры выполняемых поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом арматурный каркас композитобетонной крепи устанавливают на прямоугольной композитобетонной опоре, при этом для каркаса композитобетонной крепи, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь прямоугольного шахтного ствола, для вертикальной и горизонтальной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением к центральной оси ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси прямоугольного ствола, после чего создают бетонное тело боковой поверхности композитобетонной крепи прямоугольного сечения.

Отличительными признаками являются:

прямоугольная опора и крепь в стволе изготавливается из композитобетона, при изготовлении композитобетонной прямоугольной опоры в стволе, арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в опоре, и армируемых поперечных скоб и композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, после чего создают бетонное тело композитобетонной прямоугольной опоры, это повышает надежность монолитной композитобетоной крепи;

для каркаса композитобетонной прямоугольной опоры совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опору, для линейной 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 перпендикулярно плоскостям поперечного сечения опоры, что дополняет надежность монолитной композитобетоной крепи;

при изготовлении композитобетонной крепи в стволе арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в стволе, и вертикальных стержневых, горизонтальных продольных стержневых рабочих композитных арматур, а также армируемых поперечных скоб композитной арматуры, выполняемых поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом арматурный каркас композитобетонной крепи устанавливают на прямоугольной композитобетонной опоре, это повышает надежность монолитной композитобетоной крепи;

для каркаса композитобетонной крепи, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь прямоугольного шахтного ствола, для вертикальной и горизонтальной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением к центральной оси ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси прямоугольного ствола, после чего создают бетонное тело боковой поверхности композитобетонной крепи прямоугольного сечения, такое исполнение 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 25 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 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 монолитной композитобетонной крепи прямоугольного шахтного ствола, включающей: 1 – горизонтальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса по оси Y; 2 - горизонтальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса по оси Y; 3 – сечение ствола в черне; 4 - вертикальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса; 5 - вертикальный арматурный пруток внешнего 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 - вертикальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса, установленный в углу прямоугольника; 13 - горизонтальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса по оси X; 14 - горизонтальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса по оси X; 15 - выемка под прямоугольную опору; 16 – монолитное бетонное тело композитобетонной прямоугольной опоры крепи в стволе; 17 - арматурную скобу, связывающая ряды каркаса прямоугольной опоры установленную в угле прямоугольника; 18 - линейную стержневую арматуру в каркасе прямоугольной опоры; 19 - арматурную скобу, связывающая ряды каркаса прямоугольной опоры.

На фиг. 2 показан разрез А-А с фиг.1 горизонтального арматурного прутка внутреннего ряда каркаса, включающий: 1 - горизонтальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б с фиг.1 вертикального арматурного прутка внутреннего ряда каркаса, включающий: 4 – вертикальный арматурный пруток внутреннего ряда каркаса.

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

На фиг. 5 показан разрез Г-Г с фиг. 1 вертикального арматурного прутка внешнего ряда каркаса, установленного в углу прямоугольника, включающий: 12- вертикальный арматурный пруток внешнего ряда каркаса, установленный в углу прямоугольника.

На фиг. 6 показан разрез Д-Д с фиг.1 горизонтального арматурного прутка в каркасе прямоугольной опоры, включающий: 18 - горизонтальный арматурный пруток в каркасе прямоугольной опоры.

На фиг. 7 показан разрез Е-Е с фиг. 1 арматурной скобы, связывающей ряды в каркасе прямоугольной опоры ствола, включающей: 19 - арматурную скобу, связывающую ряды в каркасе прямоугольной опоры ствола.

Осуществление изобретения

Пример выполнения способа.

Для крепления шахтного ствола прямоугольного 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 базальтопластиковой арматуры является базальторовинг. Его изготавливают путем расплавления базальтовой массы с последующим вытягиванием в нить толщиной от 10 до 20 микрон. Нити, пропитанные специальным замасливателем, собираются в пучок называемый базальторовинг.

Кроме ровинга для изготовления базальтопластиковой 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 фильеры для получения заданной площади сечения эллипсовидной формы будущей арматуры; после фильер 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 выполняют следующей последовательностью. Горячий жгут после туннельной печи режут в виде заготовки прутков для загибания скоб, при необходимости используют газовые горелки. Готовые нелинейные изделия композитной арматуры отправляют в охлаждающую ванну.

Крепление шахтного ствола прямоугольного сечения монолитным композитобетоном начинают выполнять на предварительно изготовленной выемки 15 прямоугольной опоры ствола. Для приготовления композитобетонного монолитного тела 16 прямоугольной опоры крепи в стволе выполняют арматурный каркас из линейной стержневой арматуры 18 по сторонам в прямоугольнике и армируемых поперечных скоб 17 и 19 композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы. Подготовку линейных участков под соответствующий размер прямоугольного каркаса выполняют по расчетным параметрам, позволяющим опустить в горную выработку по габаритам. Подготовку скоб 17 и 19 из композитной арматуры выполняют загибанием углов, на 90^о или других востребованных, вокруг длинной оси эллипса арматуры, с предварительным их разогревом газовой горелкой, с расположением длинной оси эллипса в плоскости скобы. Совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на прямоугольную опору 16. Для линейной арматуры 18 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен с вертикальной осью ствола, для армируемых поперечных скоб 19 максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают перпендикулярно плоскостям поперечного сечения прямоугольную опору 16. Вертикальную опалубку устанавливают по линии сечения горной выработки в свету 7. Создают бетонное тело 16 композитобетонной прямоугольной опоры в стволе применяя вибрационное уплотнение бетона. Далее процесс возведения крепи из монолитного композитобетона включает разбивку линий прямоугольника шахтного ствола в свету 7, сборку и установку арматуры в каркас на прямоугольной опоре. 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 по расчетному размеру, а также подготовку вертикальных арматурных прутков внутреннего ряда каркаса 4 и вертикальных арматурных прутков внешнего ряда каркаса 5 выполняют по расчетному размеру, позволяющих опустить в горную выработку по габаритам. 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 9 в таком положении. Первоначально к анкерам 11 фиксируют вертикальные арматурные прутки внешнего ряда каркаса 5 и 12 на вязальное соединение 9 по расчетному прямоугольнику и положению пространственного позиционирования вертикального арматурного прутка. Затем устанавливают горизонтальные арматурные прутки внешнего ряда каркаса 2 соединяя их с вертикальными арматурными прутками внешнего ряда каркаса 5 на вязальное соединение 9. Аналогично монтируют вертикальные арматурные прутки внутреннего ряда каркаса 4, горизонтальные арматурные прутки внутреннего ряда каркаса 1. Для вертикальных прутков, установленных в углах прямоугольника 12, максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещен по соединительной линии между углами вчерне и в чистоте ствола. Для вертикальной 4 и 5, горизонтальной 13 и 14 арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением перпендикуляра к соответствующей плоскости прямоугольного ствола. Армируемые поперечные скобы 8 устанавливают с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, ось эллипса которой направляю параллельно оси ствола. Горизонтальную и вертикальную опалубку устанавливают по линиям сечения в свету 7 и создают бетонное тело 6 боковой поверхности крепи круглого ствола применяя вибрационное уплотнение бетона.

Таким образом повышение надежности монолитной композитобетонной крепи прямоугольного 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 способу крепления шахтного ствола прямоугольного сечения монолитным композитобетоном. Техническим результатом является повышение надежности монолитной композитобетоной крепи прямоугольного шахтного ствола. Способ включает изготовление прямоугольной опоры и крепи в стволе с арматурным каркасом из линейной стержневой арматуры по стенам прямоугольника в опоре и стволе. Также арматурный каркас содержит вертикальную стержневую, горизонтальную продольную стержневую рабочую арматуру. Также изготовление армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования. Также способ включает предварительное изготовление и доставку в ствол элементов каркаса и бетона. Также включает последовательный монтаж арматурного каркаса, установку опалубки и заливку бетоном. Прямоугольная опора и крепь в стволе изготавливается из композитобетона. При изготовлении композитобетонной прямоугольной опоры в стволе арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в опоре и армируемых поперечных скоб и композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы. После чего создают бетонное тело композитобетонной прямоугольной опоры. Для каркаса композитобетонной прямоугольной опоры совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опору. Для линейной 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 перпендикулярно плоскостям поперечного сечения опоры. При изготовлении композитобетонной крепи в стволе арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в стволе и вертикальных стержневых, горизонтальных продольных стержневых рабочих композитных арматур, а также армируемых поперечных скоб композитной арматуры выполняемых поперечным сечением эллипсовидной формы. Арматурный каркас композитобетонной крепи устанавливают на прямоугольной композитобетонной опоре. Для каркаса композитобетонной крепи, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь прямоугольного шахтного ствола. Для вертикальной и горизонтальной арматуры каркаса максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением к центральной оси ствола. Для армируемых поперечных скоб каркаса максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси прямоугольного ствола. После чего создают бетонное тело боковой поверхности композитобетонной крепи прямоугольного сечения. 7 ил., 1 табл.

Способ крепления шахтного ствола прямоугольного сечения монолитным композитобетоном, включающий изготовление прямоугольной опоры и крепи в стволе с арматурным каркасом из линейной стержневой арматуры по стенам прямоугольника в опоре и стволе, вертикальную стержневую, горизонтальную продольную стержневую рабочую арматуру, а также армируемых поперечных скоб с шагом, соответствующим расчетному шагу армирования, предварительное изготовление и доставку в ствол элементов каркаса и бетона, последовательный монтаж арматурного каркаса, установку опалубки и заливку бетоном, отличающийся тем, что прямоугольная опора и крепь в стволе изготавливается из композитобетона, при изготовлении композитобетонной прямоугольной опоры в стволе, арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в опоре, и армируемых поперечных скоб и композитной арматуры поперечным сечением эллипсовидной формы, после чего создают бетонное тело композитобетонной прямоугольной опоры, при этом для каркаса композитобетонной прямоугольной опоры совмещают длинную ось эллипса арматуры с максимальными нагрузками на опору, для линейной 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 перпендикулярно плоскостям поперечного сечения опоры, а при изготовлении композитобетонной крепи в стволе арматурный каркас выполняют из линейной композитной арматуры по стенам прямоугольника в стволе, и вертикальных стержневых, горизонтальных продольных стержневых рабочих композитных арматур, а также армируемых поперечных скоб композитной арматуры выполняемых поперечным сечением эллипсовидной формы, при этом арматурный каркас композитобетонной крепи устанавливают на прямоугольной композитобетонной опоре, при этом для каркаса композитобетонной крепи, длинную ось эллипса арматуры совмещают с максимальными нагрузками на композитобетонную крепь прямоугольного шахтного ствола, для вертикальной и горизонтальной арматуры максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса совмещают с направлением к центральной оси ствола, для армируемых поперечных скоб максимальный момент сопротивления по длинной оси эллипса устанавливают параллельно вертикальной оси прямоугольного ствола, после чего создают бетонное тело боковой поверхности композитобетонной крепи прямоугольного сечения.