Укосные шахтные копры являются одним из наиболее ответственных видов горнотехнических сооружений шахтной поверхности [1]. От качества проводимых строительно-монтажных работ и сроков введения данных объектов в эксплуатацию напрямую зависит работа всего предприятия. Одним из вариантов сокращения cроков строительства данного объекта является способ надвижки возведенного башенного копра с установленным оборудованием, готовым к подключению.

В настоящее время метод надвижки в значительной степени распространен в мостостроении при монтаже пролетных строений. Метод монтажа «надвижка» применяется для особо тяжелых конструкций или больших по площади конструктивных блоков зданий или сооружений. В строительстве промышленных предприятий данный метод применяется исходя из экономических показателей. При строительстве копров предшествующим этапом идет проходка ствола шахты и устройство крепи, которые занимают значительное время, как и строительство самого ствола шахты (надземное сооружение). Для уменьшения сроков строительства применяется метод «надвижки», который позволяет параллельно производить проходку подземной части ствола и строительство копра. Параллельность строительства обеспечивается за счет того, что ствол башенного копра строится рядом с местом, где проходит проходка, на специально разработанном стенде. По окончании проходки и строительства копра надземная часть перемещается по специально разработанному пути в проектное положение и в последующем соединяется со стволом проходки.

Метод «надвижки» (передвижения зданий и сооружений) не является новым. Первые упоминания о передвижении сооружений датируются тысячей лет до нашей эры. Ученые предполагают, что таким образом был передвинут фундамент Сфинкса в Египте. Впервые в России в 1770 г. таким образом был передвинут памятник Петру I в Санкт-Петербурге [2]. Применению данного метода способствовала индустриализация городов и сохранение памятников архитектуры. Данный метод был применен в СССР, Европе, США. Особое внимание данному методу было уделено в горнодобывающей промышленности Донбасса.

Значительный вклад в развитие проектирования копров внесли такие ученые, как В.Е. Андреев [1], Я.В. Бровман [3], В.М. Левин [4], S. Lagomarsino, L.C. Pagnini [5].

Исследованиями высотных сооружений, в том числе и исследованиями башенных металлических копров, занимались такие ученые, как Е.В. Горохов [6–9], В.Н. Кущенко [10][11], А.С. Кострицкий [12], B.K. Kejriwal [13], V.V. Kulyabko [14], D.G. Elms [15], J. Murgewski [16].

Целью исследования является анализ влияния монтажных нагрузок на напряженно-деформированное состояние башенного металлического копра методом «надвижки».

Объект исследования – укосный шахтный копр со скипо-клетьевым подъемом.

Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние несущих стальных элементов шахтного копра.

В данной статье рассматривается надвижка башенного металлического копра высотой 85 м со скипо-клетьевым подъемом полезных ископаемых (рис. 1).

Копер имеет две укосины, расположенные вдоль цифровых и буквенных осей сооружения. На отметке +22,000 м расположен бункер приема сырья объемом 600 м³. Эвакуационные выходы выполнены из монолитного железобетона. В осях Ж–Л располагаются тяжелые конвейеры для отгрузки добытого сырья.

На первом этапе проводится анализ конструктивной схемы сооружения с устанавливаемым оборудованием. Это требуется для оценки массы сооружения и нахождения центра тяжести. Для точной оценки массы сооружения была создана BIM-модель в программном комплексе Tekla Structures (рис. 2).

Данная модель позволяет более точно определить вес сооружения. Она создается по данным проектной организации, которая проводит проектирование копра в стадии эксплуатации.

При разработке проектов организации строительства (ПОС) и производства работ (ППР) для проведения надвижки перед инженером стоят задачи: оценка несущей способности сооружения в процессе надвижки; разработка специального стенда сборки копра с учетом геологических изысканий объекта; разработка накаточного пути для перемещения сооружения в проектное положение; подбор материалов скольжения:

– металл по металлу, смазанный графитовой смазкой;

– металл по металлическим кругам, смазанный графитовой смазкой;

– применение специального волокна для надвижки пролетных строений мостов.

А также стоят задачи принятия решения по применению домкратов либо применению блоков и полиспастов тяговых механизмов; разработки узлов крепления монтажных приспособлений и узлов крепления сооружения в проектное положение.

Для решения вышеперечисленных задач разработана расчетная схема в программном комплексе ЛИРА-САПР 2024 (рис. 3, 4). Расчетная схема определена как система с признаком 5 (пространственная система). Это значит, что рассматривается система общего вида, ее деформации и главные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей.

В расчетном комплексе к сооружению прикладывались нагрузки от веса копра с учетом установки ограждающих конструкций от отметки +6,000 м и расположения оборудования копра. Снеговая нагрузка рассчитывалась с учетом разновысотности блоков сооружения. Ветровое воздействие рассчитывалось с учетом пульсационной составляющей по направлению оси X и Y.

Проанализировав BIM-модель, можно сделать вывод, что суммарная масса копра составляет 8028 тонн, предварительно с учетом коэффициента трения скольжения 0,4 (металл по металлу) принимаем 5 домкратов по 1000 тонн и устанавливаем их на самые нагруженные оси накаточного пути. На рис. 5–7 представлены мозаики проверки принятых сечений по первому предельному состоянию (прочность), по второму предельному состоянию (прогибы и перемещения), по местной устойчивости.

Полученные результаты позволяют корректно провести усиление дополнительной развязкой связей первого этажа. При приложении нагрузки от домкратов по наиболее нагруженным осям накаточного пути происходит поворот (рис. 8) копра с последующим изломом одной из укосин. При проведении надвижки данного сооружения необходимо отказаться от укосины, расположенной поперек движения копра. Это позволит уменьшить количество осей накаточного пути.