Controlling stress state of a hoisting shaft frame in the context of specific freezing process

Abstract

Purpose is to obtain regularities of a stress state of such multilayer system as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame in the process of numerical analysis to control a frame state with the selection of efficient parameters; thickness depending upon a specific frozen process specifically. Methods. Numerical analysis on the basis of a finite-element method has been implemented relying upon Pro Complex Structure CAD for Windows (SCAD) which made it possible to obtain stress state of a hoisting shaft frame and its interaction with ice-soil blocking as well as with neighbourhood rock mass soil. Findings. Hoisting shaft model has been developed. The model is based upon actual geometry and results of laboratory studies. Three blocking types (i.e. reinforced-concrete blocks, gray cast-iron tubbings, and modified gray cast-iron tubbings) and two soil types (i.e. sand and clayish soil at +8°С temperature) in terms of different freezing temperatures (i.e. (–2, –6 and –10°С) were analyzed numerically with the use of the SCAD. Results of the research have helped identify dependences concerning formation of a stress state of the multilayer neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame system while varying properties of the listed types of a frame, neighbourhood rock mass, and ice-soil blocking. Regularities of the stressed state components deepening upon the frozen soil elasticity modulus, corresponding to its certain temperature, and elasticity modulus of a hoisting shaft frame have been obtained. The regularities connect changes in the stress of a hoisting shaft blocking in the context of specific freezing process. Originality. The obtained dependences of the stressed state of a hoisting shaft frame on the soil elasticity modulus and the material are composite spatial surfaces reflecting representatively the stressed state of such multilayer systems as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame. Practical implications. The regularities of the stressed state, determined for such multilayer systems as neighbourhood rock mass – frozen soil – hoisting shaft frame, make it possible to control stress components selecting rational geometry of a frame and its material or temperature cycle to freeze soils while applying the specific method.

Мета. Отримання в ході чисельного аналізу закономірностей зміни напруженого стану багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру” для управління напруженим станом оправи із підбором ефективних параметрів (наприклад, товщини) в залежності від параметрів спеціального способу заморожування. Методика. Застосовано чисельний аналіз на основі методу скінченних елементів, реалізований на базі професійного комплексу Structure CAD for Windows (SCAD), що дозволив отримати напружений стан оправи шахтного стовбуру із його взаємодією із льодоґрунтовим огородженням та ґрунтом оточуючого масиву. Результати. Створено модель шахтного стовбура, що побудована на основі реальних геометричних розмірів і результатів лабораторних досліджень. В ході чисельного аналізу із застосуванням SCAD досліджено три типи оправи (залізобетонні блоки, тюбінги з сірого чавуну та тюбінги з модифікованого сірого чавуну), два типи ґрунтів (пісок та суглинок при температурі +8°С) при різних температурах заморожування (–2, –6 і –10°С). Результати досліджень дозволили відшукати залежності формування напруженого стану багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру” при варіації властивостей вказаних типів оправи, ґрунту оточуючого масиву та льодоґрунтового огородження. Отримано закономірності компонент напруженого стану від модуля пружності замороженого ґрунту, що відповідає певній його температурі, та модуля пружності оправи шахтного стовбуру. Дані закономірності пов’язують зміну напружень оправи шахтного стовбуру при спеціальному способі заморожування. Наукова новизна. Отримані залежності компонент напруженого стану оправи шахтного стовбуру від модулю пружності ґрунту та матеріалу є складними просторовими поверхнями, що репрезентативно відображають напружений стан багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру”. Практична значимість. Закономірності напруженого стану, визначені для багатошарової системи “ґрунт оточуючого масиву – заморожений ґрунт – оправа шахтного стовбуру”, дозволяють управляти компонентами напружень, підбираючи раціональні геометричних параметри та матеріал оправи, або температуру циклу заморожування ґрунтів при застосуванні цього спеціального способу.

Цель. Получение в ходе численного анализа закономерностей изменения напряженного состояния многослойной системы “ґрунт окружающего массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола” для управления напряженным состоянием оправы с подбором эффективных параметров (например, толщины) в зависимости от параметров специального способа замораживания. Методика. Применен численный анализ на основе метода конечных элементов, реализованный на базе про-профессионального комплекса Structure CAD for Windows (SCAD), позволивший получить напряженное состояние оправы шахтного ствола с его взаимодействием с льодоґрунтовым ограждением и грунтом окружающего массива. Результаты. Создана модель шахтного ствола, построенная на основе реальных геометрических размеров и результатов лабораторных исследований. В ходе численного анализа с применением SCAD исследованы три типа оправы (железобетонные блоки, тюбинги из серого чугуна и тюбинги из модифицированного серого чугуна), два типа грунтов (песок и суглинок при температуре +8°С) при различных температурах замораживания (–2, –6 и –10°С). Результаты исследований позволили отыскать зависимости формирования напряженного состояния многослойной системы “грунт окружающего массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола” при вариации свойств указанных типов оправы, грунта окружающей массива и льодоґрунтового ограждения. Получены закономерности компонент напряженного состояния от модуля упругости замороженного грунта, что соответствует определенной его температуре, и модуля упругости оправы шахтного ствола. Данные закономерности связывают изменение напряжений оправы шахтного ствола при специальном способе замораживания. Научная новизна. Полученные зависимости компонент напряженного состояния оправы шахтного ствола от модуля упругости грунта и материала являются сложными пространственными поверхностями, репрезентативно отражающие напряженное состояние многослойной системы “грунт окружающей массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола”. Практическая значимость. Закономерности напряженного состояния, определенные для многослойной системы “грунт окружающей массива – замороженный грунт – оправа шахтного ствола”, позволяют управлять компонентами напряжений, подбирая рациональные геометрические параметры и материал оправы, или температуру цикла замораживания грунтов при применении этого специального способа.