К.В.Домнин (ООО «Докрос», г.Екатеринбург) Промышленная безопасность и техническое состояние строительных конструкций надшахтных копров Копром называют горнотехническое сооружение, возводимое над шахтным стволом и предназначенное для размещения на нем подъемного горного оборудования. Предприятие ООО «Докрос» много лет специально занимается вопросами промышленной безопасности и оценкой технического состояния на основе результатов детальных инструментальных обследований несущих строительных конструкций этих сооружений. Обследованию и экспертизе подвергались надшахтные копры в городах Североуральска, Н-Тагиле, Ухте и др. В эксплуатации наиболее части встречаются копры башенного и станкового типов (Рис. 1 и 2). Башенные копры получили широкое распространение из-за существенного преимущества многоканатных подъемных установок по сравнению с одноканатными. В связи с этим резко улучшились условия безопасности, т.к. наличие шкива трения создает своего рода фрикционную защиту против чрезмерного возрастания усилий в канатах. Возможность навески нескольких канатов позволяет поднимать грузы до 100т из шахт глубиной до 3000м. Применение многоканатных установок потребовало создания горнотехнического сооружения башенного типа. Основными условиями эксплуатации таких сооружений с установленными на них многоканатными подъемными машинами являются большие мощности и глубина шахты [3]. Первый башенный копер с многоканатной установкой был построен в 1958 году на шахте им. Калинина №5/6. В настоящее время в России находятся в эксплуатации несколько сотен таких копров. Степень физического износа некоторых из них достигает более 7,5%. В связи с этим натуральные инструментальные обследования должны стать непременным условием мониторинга при оценке промышленной безопасности технического состояния копров со сроком эксплуатации 20 лет и более. Натурные обследования были проведены на шести башенных копрах со сроком эксплуатации 31-39 лет (Таблица). В г. Североуральске обследованию подвергались четыре монолитных железобетонных копра высотой 35 и 65м. В таких сооружениях элементы каркаса (колонны, ригели) связаны монолитно с несущими стенами. В этом случае материал стен используется более рационально, т.к. они одновременно функции ограждающих и несущих конструкций. Утепление стен выполнено снаружи из ячеистобетонных мелкоштучных плит, установленных в процессе строительства. В период эксплуатации в результате намокания и механических Рис. 1. Копер башенного типа Рис. 2. Копер станкового типа Таблиц а Основные сведения о копрах обследованных в 1998-2004гг в плаГод ввода Адрес, конструктивная Размеры Дата в № схема, количество меж- не, высота, обследов груэксплуата п/п дуэтажных зоподъемность ания цию перекрытий и др. кранов (возраст) 1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 2 1. Копры башенного типа г. Североуральск, ОАО «СУБР»: Шахта 15, вспомогательный клетевой копер, монолитный железобетонный каркас и стены, 5 перекрытий. Верхняя часть (11м)стены кирпичные. Шахта 15, основной скиповый копер, монолитный железобетонный каркас и стены, 10 перекрытий. Верхняя часть (11м)стены кирпичные. Шахта 14 -14бис, основной скиповый копер, монолитный железобетонный каркас и стены, 10 перекрытий. Верхняя часть - стены кирпичные. Шахта 14-14бис, вспомогательный клетевой копер, монолитный железобетонный каркас и стены, 5 перекрытий. Верхняя часть - стены кирпичные. Количество выявленных дефектов, повреждений 3 4 5 6 18 ×18м Н=35м Q=30T 15.06.98г 1964г (34 года) 8 13 × 18м Н=65м Q=30T 20.06.98г 1964г (34 года) 12 12 × 18м Н=64,8м Q=30T 15.01.02г 1966г (36 лет) 6 18 × 18м Н=35,4м Q=30T 15.01.02г 1966г (36 лет) 3 1 2 1.5. Шахта магнетитовая, основной копер, стальной несущий каркас, стены панельные железобетонные газошлакобетонные, 7 перекрытий. 1.6. Шахта магнетитовая, вспомогательный копер, стальной несущий каркас, плиты перекрытия - железобетонные, стены панельные железобетонные газозолобетона, 5 перекрытий. 2. Копры станкового типа г. Ухта, пос. Ярега ОАО «Битран» ООО «Лукойл-Коми» 2.1. Нефтешахта № 1, копер подъемного ствола. Стальной каркас и укосина. 2.2. Нефтешахта № 1, копер вентиляционный. Стальной каркас станка и укосины. 2.3. Нефтешахта №2, копер подъемного ствола. Стальной каркас и укосина. 2.4. Нефтешахта №2, копер вентиляционного ствола. Стальной каркас станка и укосины. 2.5. Нефтешахта №3, копер вентиляционного ствола. Стальной каркас станка и укосины. 3 21 × 21м Н=70м Q=30,20,10T 4 03.05.01г 5 1962г (39 года) 6 4 12 × 18м 18 х 18м (верхняя часть) Н = 56,7м Q=30T 03.05.01г 1970г (31 год) 5 2,90 × 3,14м Н=23,7м 07.07.03г 1942г (61 год) 2 3,00 × 3,19м Н=13,8м 07.07.03г 1942г (61 год) 2 3,00 × 3,2м Н=22,8м 07.07.03г 1945г (68 лет) 2 3,00 × 3,19м Н=14,83м 20.07.04г 1947г (57 лет) 6 3,00 × 3,19м Н=14,83м 20.07.04г 1946г (58 лет) 6 воздействий ячеистобетонные плиты местами оказались разрушенными. Конструкции копров высотой 65м имеют 10 перекрытий, высотой 35м - 5 перекрытий, расположенных на разных отметках. Перекрытия копров железобетонные выполнены монолитными ребристыми под несущую нагрузку 400 кг/м2. Основные повреждения перекрытий, обнаруженные при обследовании, связаны с наличием промасленных участков бетона на плитах и пробивкой сквозных отверстий для подвески или крепления технологического оборудования в периоды ремонта. Фундамент копра определяется характеристикой грунтов основания, конструкций стен, формой копра в плане, нагрузкой, конструкцией шейки ствола и др. В обследованных копрах использована конструкция ленточного фундамента с уширенной подошвой, при котором станок опирается на так называемые нулевые балки ввиду того, что устройству ленты под внутренние стены копров препятствует шейка ствола. Железобетонные сечения этих балок равны 1 х 4м, опираются они на подземную часть монолитных стен, а их пролет составляет 18м. Глубина заложения фундаментов находится в пределах 6-8м. В машинных залах, расположенных на верхних этажах копров, размещаются по две подъемные машины с редукторами и двигателями, электроаппаратура, мостовой кран для монтажа и проведения ремонтных работ и другое оборудование. Это самое нагруженное перекрытие, испытывающее постоянно динамические нагрузки. Аварийные нагрузки при внезапном защемлении подъемного сосуда определяются равными 1,75 Рразр., где Рразр. - суммарное разрывное усилие всех подъемных канатов. Мостовые краны предусмотрены для монтажных и ремонтных работ, они обеспечивают подъем грузов с земли на все этажи копра. Грузоподъемность канатов и размеры монтажных проемов в перекрытиях копра определяются максимальным весом и габаритами узлов подъемных машин. Особенностью поэтажных перекрытий, за исключением машинного зала, является наличие проема в середине перекрытий для станка, служащего продолжением шахтного ствола, а также монтажных проемов, проемов для лифта и лестничной клетки. На строительные конструкции копра действует значительные нагрузки, составляющие в общей сложности несколько тысяч тонн. Нормальная работа каждой конструкции создает условия для безопасной эксплуатации башенных копров. В процессе обследований в монолитных железобетонных копрах выявлены дефекты и повреждения строительных конструкций в 3-12 местах (Таблица). Все дефекты и повреждения носят локальный характер и не влияют на снижение прочности и общей устойчивости копров. Безопасность и оценка технического состояния копров производилась с учетом выявленных дефектов и повреждений после выполнения проверочных расчетов отдельных конструкций и всей коробки копра [2]. Башенные копры со стальным каркасом обследовались в г. Нижнем Тагиле на шахте Магнетитовая (Таблица). Характеризуются они сравнительно небольшим весом всего сооружения, что требует меньше расхода материалов для фундамента и важно при возведении копров на грунтах с малой несущей способностью. Применение металлического каркаса дает возможность сборки копра на особом стенде с последующей надвижкой на ствол шахты, что особенно удобно в условиях действующего предприятия. Таким образом, были возведены копры на шахте Магнетитовая. Перекрытия в копрах выполнены в виде стальных балочных клеток с монолитными железобетонными плитами толщиной 140мм, которые создают жесткие горизонтальные диски по высоте копра и обеспечивают его общую устойчивость. Стены наружные выполнены из навесных ячеистобетонных панелей, большая часть которых в настоящее время разрушилась и заменена на стальные обшивки или находится в аварийном состоянии, от которых отваливаются и падают куски бетона. Такое состояние стен представляет явную опасность для работающего и обслуживающего персонала. В связи с этим были даны рекомендации по замене железобетонных панелей на легкие металлические трехслойные панели типа «Сэндвич». Фундаменты колонн каркаса - железобетонные столбчатые с рандбалками. Количество выявленных дефектов и повреждений 4-5 мест, повреждения носят локальный характер, исключение составляют панельные стены. Из-за разрушений стен в копрах нарушен внутренний тепловлажностный режим, что нарушает нормальные условия эксплуатации строительных конструкций копров и создает благоприятные условия для ускоренного износа конструкций. Весьма широкое распространение получили копры станковой системы [5]. Такие копры используются на нефтешахтах г. Ухты в пос. Ярега, где были проведены обследования (Таблица). В 2003-2004 годах на нефтешахтах №1, 2 и 3 были обследованы 5 копров станкового типа. Такие копры характеризуются наличием вертикального станка, расположенного над шахтным стволом и укосиной, связанной со станком конструкцией головки (Рис. 2). Положение укосины копра приблизительно соответствует направлению равнодействующей внешних сил - основных нагрузок сооружения, передаваемых через шкивы. Как правило, укосина воспринимает большую долю указанных нагрузок и передает их мощным отдельно стоящим фундаментам, к которым крепятся ее ноги с помощью анкерных болтов. Опоры укосины развиты в уровне верха фундаментов в поперечном направлении (разнос ног), чем обеспечивается общая поперечная устойчивость сооружения. Основные несущие элементы станка и укосины имеют трубчатые сечения, решетки ферм, горизонтальные, наклонные элементы выполнены из прокатных профилей (уголки, швеллеры, двутавры). Станок является конструкцией, ограждающей и несущей выше уровня поверхности всю необходимую армировку - проводники, расстрелы, шкивы, балки подшкивные и пр. Станок служит несущей конструкцией копра, воспринимает как часть сооружения усилия и передает нагрузку на крепь устья ствола шахты через опорные балки. В процессе поэлементного детального обследования замерялись сечения, степень коррозионного износа, искривления, сварные и болтовые соединения и др. Установлено, что коррозионный износ рабочих сечений элементов не превышает 0,2мм, встречаются незначительные искривления, а в отдельных местах имеются вырезы элементов станка. В некоторых узлах укосины, имеющих болтовые соединения, выявлено, отсутствие нескольких болтов, а также ослабление болтов. Такие дефекты и повреждения приводят к снижению прочности и жесткости всей конструкции копра и представляют определенную опасность. Безопасность и техническое состояние копров оценивались по результатам проверочных расчетов с учетом выявленных дефектов и повреждений. По каждому копру была составлена дефектная ведомость, даны конкретные рекомендации и установлены согласованные сроки устранения выявленных дефектов и повреждений. В настоящее время накоплен достаточно большой материал по промышленной безопасности и техническому состоянию конструкций копров. Использование этого материала в практике проектирования, строительства и эксплуатации позволит устранить ряд грубых ошибок и обеспечить безопасную эксплуатацию таких сооружений на длительный период. Список использованных источников 1. 2. 3. 4. 5. ВНТП 13-2-93. Нормы технического проектирования горнодобывающих предприятий металлургии с подъемным способом разработки. Гипроруда. Согласовано с Госгортехнадзором РФ (протокол №4 от 13.12.1992г). Руководство по расчету башенных копров угольных и рудных шахт. Донецкий Промстройниипроект, М., Стройиздат 1975г. Антонов Г.П. Проектирование и расчет шахтных копров башенного типа. М., «Недра», 1975г. Матвеев С.Г. Башенные копры и перспективы их применения на шахтах Урала«Шахтное строительство», 1962, №8. Матвеев С.Г. Рудничные сооружения. Госгортехиздат. М., 1962.