Спосіб контролю стану армування стволів, які експлуатуються у зоні деформації породного масиву

Изобретение относится к горному делу, в частности к контролю за состоянием армировки шахтных стволов, эксплуатир уемых в зоне деформации породного массива. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ контроля состояния армировки стволов, эксплуатируемых в зоне деформации породного массива, включающий измерение ширины колеи между проводниками, измерение расстояний между ярусами расстрелов, величины зазоров от выступающих частей подъемного сосуда до элементов армировки, динамических нагрузок, действующи х на армировку при движении подъемного сосуда, и измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов по всей глубине ствола. Недостатками известного способа является заниженная, относительно проектной, безаварийная скорость движения подъемного сосуда и ежемесячные межремонтные сроки, в связи с тем, что производили измерения нагрузок только от движущегося подъемного сосуда, механического и коррозионного износа по всей глубине ствола и не учитывались в полном объеме деформационно-прочностные характеристики элементов армировки в зоне активных деформаций крепи ствола, а это не обеспечивало выбора безопасного и эффективного режима эксплуатации шахтны х подъемов, а также приводило к частым ремонтным работам в стволах. Причинами, препятствующими получению технического результата заявляемого изобретения прототипом, являются: - измерение нагрузок только от движущегося подъемного сосуда приводит к тому что получают информацию о нагрузках и напряжениях, возникающих в элементах армировки только от движущегося подъемного сосуда, а это снижает достоверность данных о деформационнопрочностных характеристиках элементов армировки, что отрицательно влияет на безаварийную скорость движения подъемного сосуда в де формируемой армировке ствола, а также на продолжительность межремонтных сроков, а это влечет за собой снижение производительности, безопасной эксплуатации стволов и увеличение расходов материальных и энергетических ресурсов; - измерение механического и коррозионного износа по всей глубине ствола позволяло определять величины износа с большим количеством показаний, влияющих на достоверность данных, что снижает их достоверность о деформационно-прочностных характеристиках элементов армировки, что отрицательно влияет на безаварийную скорость движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола, а также на продолжительность межремонтных сроков, а это влечет за собой снижение производительности, безопасной эксплуатации стволов и увеличение расходов материальных и энергетических ресурсов. Задачей изобретения является разработка способа контроля состояния армировки стволов, эксплуатируемых в зоне деформации породного массива, в котором путем обеспечения возможности получения последовательной и систематической информации о состоянии армировки ствола за счет повышения достоверности данных о деформационнопрочностных характеристиках элементов армировки, достигают повышения безаварийной скорости движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличения межремонтных сроков, и за счет этого повышается производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сокращаются материальные и энергетические ресурсы. Поставленная задача решается, тем, что в способе контроля состояния армировки стволов, эксплуатируемых в зоне деформации породного массива, включающем измерение ширины колеи между проводниками, измерение расстояний между ярусами расстрелов, величины зазоров от выступающих частей подъемного сосуда до элементов армировки, динамических нагрузок, действующи х на армировку при движении подъемного сосуда и измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов, согласно изобретению, дополнительно измеряют величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости, величины вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов в зоне активных деформаций крепи ствола, а измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов производят в местах систематического проявления максимальных нагрузок. Кроме того, измерение нагрузок на армировку от движущегося подъемного сосуда и от деформируемой крепи осуществляют одновременно, и измерение величин вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов осуществляют одновременно с измерением механического и коррозионного износа проводников и расстрелов. Физика процесса заключается в том, что армировка стволов, эксплуатируемых в зоне деформации породного массива, испытывает два вида нагрузок; от движущегося подъемного сосуда и от деформируемой крепи, при этом изменяются величины зазоров между движущимся подъемным сосудом и элементами армировки в пространстве и во времени. Происходит повышенный механический и коррозионный износ, отрицательно влияющий на безопасность эксплуатации шахтных стволов. Существенными признаками в данном изобретении являются: измерение ширины колеи между проводниками; - измерение расстояний между ярусами расстрелов; измерение величины зазоров от выступающих частей подъемного сосуда до элементов армировки; измерение динамических нагрузок, действующи х на армировку при движении подъемного сосуда; - измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов; дополнительное измерение величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости; дополнительное измерение величины вертикальных и горизонтальных измерений проводников и расстрелов в зоне активных деформаций крепи ствола; - измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов в местах систематического проявления максимальных нагрузок; - одновременное выполнение измерения нагрузок на армировку от движущегося подъемного сосуда и от деформируемой крепи; - одновременное осуществление измерения величин вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов с измерением механического и коррозионного износа проводников и расстрелов. Новыми существенными признаками необходимыми и достаточными, во всех случаях, на которое распространяется объем испрашиваемой правовой охраны, являются: дополнительное измерение величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости; дополнительное измерение величины вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов в зоне активных деформаций крепи ствола; - измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов в местах систематического проявления максимальных нагрузок одним из известных методов, например радиометрическим. Новыми существенными признаками, характеризующими изобретение лишь в частных случаях при особых условиях его использования, являются: - одновременное выполнение измерения нагрузок на армировку от движущегося подъемного сосуда и от деформируемой крепи; - одновременное осуществление измерения величин вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов с измерением механического и коррозионного износа проводников и расстрелов. Благодаря тому, что при дополнительном измерении величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости происходит получение дополнительной информации о нагрузках и напряжениях в элементах армировки от напряжения армировки деформируемой крепью и движущимся подъемным сосудом, что позволяет повысить безаварийную скорость движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличить межремонтные сроки и за счет этого повысить производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сократить материальные и энергетические ресурсы. Благодаря тому, что дополнительно производят измерение величин вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов в зоне активных деформаций крепи ствола появляется возможность прогнозировать достижения их критических значений с тем, чтобы обеспечить повышение безаварийной скорости движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличить межремонтные сроки, и за счет этого повысить производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сократить материальные и энергетические ресурсы. Благодаря тому, что измерение механического и коррозионного износа проводников и расстрелов производят в местах систематического проявления максимальных нагрузок одним из известных методов, например радиометрическим происходит более достоверное определение деформационнопрочностных параметров армировки, и следовательно, обеспечивается повышение безаварийной скорости движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличение межремонтных сроков и за счет этого повышается производительность и безопасностьэксплуатации стволов, а также сокращаются материальные и энергетические ресурсы. Сравнение измеренных величин с предельнодопустимыми их значениями позволило выбрать безопасный режим движения подъемного сосуда и обеспечить повышение безаварийной скорости движения этого сосуда в деформируемой армировке ствола. Благодаря одновременному измерению нагрузок на армировку от движущегося подъемного сосуда и от деформируемой крепи дало возможность учитывать изменение напряжений в элементах армировки и влияние их на деформационно-прочностные характеристики проводников и расстрелов, что позволило более достоверно выбрать безопасный режим эксплуатации стволов, обеспечивающий повышение безаварийной скорости движения подъемного сосуде в деформируемой армировке ствола и увеличение межремонтных сроков, и за счет этого повысить производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сократить материальные и энергетические ресурсы. Благодаря одновременному измерению величин вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов с измерением механического и коррозионного их износа позволяет уточнять данные о моментах сопротивления проводников и расстрелов и более достоверно определять деформационнопрочностные характеристики проводников и расстрелов. Это дает возможность обеспечить повышение безаварийной скорости движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличение межремонтных сроков, и за счет этого повысить производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сократить материальные и энергетические ресурсы. Благодаря использованию совокупности известных и новых существенных признаков стало возможным обеспечение получения последовательной и систематической информации о состоянии армировки ствола за счет повышения достоверности данных о деформационнопрочностных характеристиках элементов армировки, что позволило повысить безаварийную скорость движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличить межремонтные сроки и за счет этого повысить производительность и безопасность эксплуатации стволов, а также сократить материальные и энергетические ресурсы. Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1 показан вертикальный разрез шахтного ствола с литологической колонкой залегаемых пород; на фиг.2 - узел I на фиг.1 (узел измерения динамических нагрузок на армировку при движении подъемных сосудов); на фиг.3 - узел II на фиг.1 (узел измерения горизонтальных статических нагрузок на элементы армировки от деформируемой крепи); на фиг.4 - узел III на фи г.1 (узел измерения вертикальных статических нагрузок на элементы армировки от деформируемой крепи). Способ осуществляют следующим образом. При эксплуатации вертикальных шахтных стволов, пройденных в сложных горногеологических условиях, крепь 1 под воздействием вертикальной нагрузки, действующей со стороны деформируемого массива - Qв, и горизонтальной нагрузки, действующей со стороны деформируемого массива - Qг, подвергается вертикальным и горизонтальным деформациям. Элементы армировки: расстрелы 2 и проводники 3 также подвержены вертикальным и горизонтальным деформациям, т.е. армировка находится в напряженно-деформированном состоянии. В момент прохождения подъемным сосудом 4 по деформированным проводникам 3 на участке ствола, где расстрелы 2 и проводники 3 находятся в напряженно-деформированном состоянии, армировка (расстрелы 2 и проводники 3) воспринимает дополнительные динамические нагрузки. Особенно это усугубляется на участке встречи подъемных сосудов 4. В эти х местах напряженно-деформированные расстрелы 2 и проводники 3 воспринимают нагрузки одновременно от двух движущихся подъемных сосудов 4. На подъемном сосуде 4, в местах установки, направляющих устройств (фиг.2), закрепляют датчики 5 контроля нагрузок, возникающих при взаимодействии подъемного сосуда 4 с проводниками 3 в процессе его эксплуатации. В этих же местах устанавливают датчики 6 пути. Комплекты датчиков 5 и 6 подключены к блокам регистрации 7, устанавливаемых при измерениях на смотровых площадках сосудов 4. Дополнительно измеряют величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости. На расстрелах 2 и проводниках 3 устанавливаются датчики 8 (фиг.3 и 4) контроля нагрузок и деформаций элементов армировки, возникающих при вертикальных и горизонтальных деформациях крепи 1 стволов. Комплекты датчиков 8 подключены к блоку регистрации 9, устанавливаемому при измерениях на горизонте в горной выработке (фиг.1). Определение напряженно-деформационного состояния армировки, величин ее деформации и деформационно-прочностных характеристик элементов армировки ствола согласно предлагаемому способу осуществляют следующим образом. При спуске порожнего и подъеме груженого подъемного сосуда 4 элементами измерительной аппаратуры, включающей датчик 5 контроля нагрузок, датчик 6 пути и блок регистрации 7 на любой заданной скорости происходят горизонтальные его колебания, которые обуславливают периодические силовые контакты направляющих устройств подъемного сосуда 4 с проводниками 3. Место проявления этих контактов, а также величина возникающих при этом усилий фиксируются соответственно датчиками пути 6 и датчиками 5 контроля нагрузок. В момент контакта направляющих башмаков подъемного сосуда 4 с проводниками 3 последние прогибаются и деформации передаются на расстрелы 2. Информация, поступающая от датчиков 5 и 6 в течение всего времени движения подъемного сосуда 4 записывается блоком регистрации 7. В момент прохождения подъемным сосудом 4 по деформированным проводникам 3 участка ствола, где расстрелы 2 и проводники 3 находятся в напряженно-деформированном состоянии, датчики 8 дополнительно измеряют величины нагрузок на армировку, возникающих при деформации крепи ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости и приращения нагрузок от движущегося подъемного сосуда 4. Датчики 8 представляют собой струнные преобразователи (типа ПСАС-40 датчики силы и ПЛДС-400 - датчики линейных деформаций). Эти датчики 8 позволяют производить одновременный контроль нагрузок и деформаций расстрелов 2 и проводников 3 при параллельной их установке. Например: на расстреле 2 устанавливают параллельно датчик ПСАС-40 и ПЛДС-400 соответственно для измерения нагрузки и деформации. Напрямую измерить нагруженность в расстреле 2 и проводнике 3 можно датчиком ПСАС-40 установив его при монтаже армировки. При установке датчика ПСАС-40 на расстрелах и проводниках в действующи х ствола х будем получать приращения нагруженности конструкций. Информация, поступающая отдатчиков 8 в течение всего времени прохождения подъемным сосудом 4 участка с напряженнодеформированной армировкой, записывается блоком регистрации 9. Измерение вертикальных и горизонтальных перемещений армировки выполняют одновременно с измерениями величин механического и коррозионного износа с помощью датчиков, устанавливаемых на смотровой площадке подъемного сосуда, на заданном расстоянии друг от др уга. В качестве датчиков для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений могут служить радиометрические (изотопные) датчики, которые могут определять расстояния до элементов армировки в вертикальной и горизонтальной плоскости. Для вертикальных перемещений - точкой отсчета является проектное расстояние между расстрелами по вертикали. Для горизонтальных перемещений - точкой отсчета является: для проводников - отклонение их от вертикали; для расстрелов - прогибы их в горизонтальной плоскости и зазоры от выступающих частей подъемного сосуда до расстрелов. Под перемещениями надо понимать -осевые сближения или расхождения в конструкциях проводников и расстрелов в зоне активной деформации крепи ствола. В связи с тем, что в ствола х, эксплуатир уемых в условиях де формации породного массива, для снятия напряженно-деформированного состояния, проектами на ремонт, реконструкцию и строительство закладываются узлы податливости в крепи и армировке. Таким образом в зоне активной деформации породного массива и крепи ствола, происходят вертикальные и горизонтальные перемещения проводников и расстрелов. При наличии узлов податливости в армировке (компенсаторов) происходят осевые перемещения. Конструкции компенсаторов проводников и расстрелов имеют определенную продольную жесткость. Как правило с помощью таких конструкций можно определять, как перемещения, так и нагрузки. Измерение механического и коррозионного износа проводников расстрелов производят в местах систематического проявления максимальных нагрузок по глубине ствола одним из известных методов, например радиометрическим. С этой целью, на смотровой площадке подъемного сосуда устанавливают изотопные датчики (на чертеже не показано) на определенном расстоянии друг от друга, направив их на проводники и расстрелы. При этом, датчики не контактируя с проводниками и расстрелами, измеряют их толщины. Измерение величин механического и коррозионного износа элементов армировки, а также вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов, с использованием изотопных датчиков, производят при движении подъемного сосуда на скорости, как до двух метров в секунду, так и на любой заданной. Регистрацию этих величин осуществляют комплектом аппаратуры, устанавливаемой также на подъемном сосуде. Сравнение измеренных величин производят с проектными величинами и предельнодопустимыми (критическими). Пример. Экспериментально-промышленная проверка способа контроля состояния армировки стволов, эксплуатир уемых в зоне деформации породного массива проведена в шахтных ствола х Запорожского железорудного комбината (ЗЖРК). Три ствола центральной группы ЗЖРК (Грузовой №1, Грузовой №2 и Вспомогательной) расположены в центре мульды сдвижения, образовавшейся в результате глубокого водопонижения (в интервале глубин 350 - 400м). Это вызвало вертикальное смещение горного массива до 3,1м и горизонтальное - до 0,55м. Исследованиями было установлено, что в процессе образования мульды сдвижения при водопонижении ствол приобретает элиптическую форму с длиной осью, ориентированной по простиранию мульды, что приводит к возникновению сжимающих и растягивающих усилий в центральных расстрелах. Три ствола этой группы имеют круглую форму сечения с диаметром в свету 7м и комбинированную крепь из чугунных тюбингов с толщиной стенки 30 - 70мм в сочетании с монолитной бетонной крепью толщиной 800мм. Армировка стволов металлическая - расстрелы из двутавровой балки и 36° с расстоянием между ярусами 3 и 4м, проводники коробчатого сечения 180 ´ 180 ´ 12мм и 160 ´ 160 ´ 12мм. Для восприятия вертикального перемещения в крепь стволов были введены узлы податливости. В каждом стволе было заложено 5 - 6 узлов податливости, расстояние между которыми в зависимости от горно-геологических условий составляло 15 - 40м, при среднем расстоянии 20 30м. Для поглощения вертикальных перемещений армировки в проводниках в их конструкцию были введены узлы податливости - компенсаторы. Места установки компенсаторов соответствовали местам сооружения узлов податливости крепи. Стволы оборудованы скипами грузоподъемностью по 25т каждый, двухэтажными клетями и противовесами. Все подъемные сосуды и противовесы снабжены трехроликовыми направляющими. Кроме того, на подъемных сосудах установлены дублирующие предохранительные направляющие башмаки. Способ контроля состояния армировки осуществляли в Грузовом стволе №2. С этой целью на участке зоны активного сдвижения породного массива (в интервале глубины 250 400м) были проанализированы и установлены закономерности изменения вертикальных и горизонтальных деформаций элементов армировки: - приращения вертикальных перемещений элементов армировки изменяется во времени по степенной функции; - профиль проводников вкрест простирания мульды сдвижения по абсолютным значениям достигают 45 - 50мм, что в 2 раза выше абсолютных значений по простиранию мульды сдвижения; - скорость изменения профиля проводников вкрест простирания мульды сдвижения составляет 3 - 5мм в год, и 7 - 8мм - вдоль простирания мульды сдвижения. Для контроля напряженно-деформированного состояния армировки на ярусах №116, 117, 118 были установлены, как показано на фиг.1, фиг.3, фиг.4, датчики контроля нагрузок 8 (ПСАС-40 и ПЛДС-400). Комплекты датчиков контроля нагрузок 8 были подключены к блоку регистрации периодомеру ПДП-1 м, который устанавливался на гор. 400м. Величины измеренных нагрузок от деформируемой крепи в горизонтальной плоскости на расстрелах составляют 1300 - 1500кН на сжатие, и 900 - 1000кН - на растяжение. Напряжения соответственно равны 200 - 220МПа и 180 - 185МПа. Для контроля нагрузок на армировку от движущегося подъемного сосуда, на последних, вместо дублирующи х предохранительных направляющих башмаков устанавливали силоизмерительные с датчиками измерения нагрузок. В этих местах устанавливали датчики пути. Блок регистрации записывал на осциллографную фотобумагу нагрузки в лобовой и боковых плоскостях проводников с привязкой к конкретным ярусам расстрелов по глубине ствола с помощью датчика пути. Величины измеренных максимальных нагрузок от движущегося подъемного сосуда находятся в пределах 45 50кН. Было установлено, что на потенциально опасных участках армировки по глубине ствола с увеличением относительных отклонений проводников от 5 до 30мм и скорости движения скипов от 7 до 12м/с эксплуатационные нагрузки увеличиваются в 3 - 5 раз. При прохождении подъемным сосудом участка армировки по глубине ствола (яруса №116 - 18) с датчиками измерения нагрузок 8, последние показали, что нагрузки на расстрелы 2 увеличиваются на 15 - 19%, а напряжения - на 5 9%. В результате измерения механического и коррозионного износа элементов армировки на потенциально опасных участках армировки с помощью ультрзвукового толщиномера "Кварц-6", было установлено: - процент износа расстрелов составляет а) стойки - 35 - 38%; б) верхней полки -20 - 25%; в) нижней полки - 30 - 35%; - процент износа проводников в самых опасных участках составляет 46 - 52%. Выполненное сравнение состояния армировки на основании полученных экспериментальных данных позволило выбрать безопасный режим эксплуатации шахтны х скиповых подъемов со скоростью до 9м/с, обеспечить своевременный ремонт элементов армировки и увеличить продолжительность межремонтного срока с 15 суток до 3 суток. Применение способа контроля состояния армировки стволов, эксплуатируемых в зоне деформаций породного массива позволяет повысить безаварийную скорость движения подъемного сосуда в деформируемой армировке ствола и увеличить межремонтные сроки за счет повышения достоверности данных о деформационно-прочностных характеристиках элементов армировки путем обеспечения возможности получения последовательной и систематической информации о состоянии армировки ствола "в связи с тем, что производят дополнительные измерения величин нагрузок на армировку" вертикальных и горизонтальных перемещений проводников и расстрелов, а измерение механического и коррозионного износа элементов армировки производят только в местах систематического проявления максимальных нагрузок. Изобретение может использоваться при существующем серийно выпускаемом оборудовании для осуществления контроля состояния армировки стволов, эксплуатируемых в зоне деформации породного массива.