Промышленная безопасность и техническое состояние

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.