Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов

Актуальность проблемы. Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магистралей и перегонных тоннелей метро представляет собой трудоемкий и дорогостоящий процесс. Задачи повышения скорости проходки, производительности труда, снижения стоимости работ и, несомненно, вопросы безопасности стояли всегда, но особенно они обострились в условиях перехода к рыночным отношениям. Однако, несмотря на применение современного оборудования, технико-экономические показатели сооружения подземных выработок в последнее время не только не улучшаются, но в ряде показателей проявилась тенденция к их ухудшению.

Традиционные технологии (прежде всего щитовой способ проведения выработок) ориентированы на наиболее тяжелые горно-геологические условия и развиваются по пути увеличения мощности и металлоемкости оборудования, что вызывает ухудшение маневренности и ограничение области применения, главным образом, горизонтальными выработками. Но такой путь развития технологий и модернизации оборудования не всегда оправдан поскольку существуют альтернативные подходы к решению проблемы проходки горных выработок.

В лаборатории проходческих комплексов ИУ СО АН СССР (ныне ИУУ СО РАН) проходка выработок определена как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород, приконтурный массив которых можно использовать как опорный элемент, воспринимающий реакции при выполнении основных технологических операций. Принцип связывания в функциональном единстве основного движения (подачи на забой) и процесса резания горных пород дал название геовинчестерной технологии (ГВТ), отличительной чертой которой является совмещение во времени основных операций проведения выработок.

Известные типы горнопроходческих машин не пригодны и не могут быть адаптированы для целей агрегатирования. С учетом радикально изменившихся требований к оборудованию и на основе функционально-структурной концепции горных машин разработана оригинальная конструктивная схема винтоповоротного проходческого агрегата (ВПА). Принципиальной особенностью ВПА является ввинчивание корпуса агрегата, играющего роль крепи призабойного пространства, в массив вмещающих пород.

Создание геовинчестерной технологии проходки, а также разработка нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов — неразрывно связаны между собой и являются актуальной научной проблемой в области проведения горных выработок различного назначения и пространственного расположения.

Оригинальная компоновочная схема, наличие в конструкции новых функциональных элементов и отличный от горнопроходческих машин традиционного исполнения характер взаимодействия с окружающими породами требуют проведения многоплановых исследований для разработки специальных методик проектирования и расчета параметров экспериментальных образцов нового вида горнопроходческой техники.

Разработка технологий проходки горных выработок названа Правительственной комиссией РФ по научно-технической политике в области «Топливо и энергетика» в качестве приоритетного направления развития.

По оценке Академии менеджмента и рынка и Агентства международного развития приоритетных технологий на 2000;2020 гг. способы и решения в части сооружения подземных магистралей, автотрасс и железных дорог являются особо важными по группе «Использование подземного пространства» .

Данная работа начата по плану ИУ СО АН СССР и была включена в координационный план НИР по проблеме 1.11.1.1. «Теория машин и систем машин (№ госрегистрации 01.86.104 516), а также в программу «Уголь Кузбасса» СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№ госрегистрации 81 081 327).

Целью работы является научное обоснование принципа геовинчестерной технологии проведения горных выработок — движение в массиве вмещающих пород без опоры на постоянную крепь, а также реализующих этот принцип технических решений по созданию нового вида горного оборудования — винтоповоротных проходческих агрегатов.

Основная идея работы состоит в том, что вовлечение в технологический процесс проведения горных выработок приконтурной части массива горных пород в качестве опорного звена проходческого агрегата приводит не только к совмещению основных операций во времени, но и обеспечивает взаимное соответствие силовых параметров важнейших частей оборудования.

Выявление отличительных связей, возникающих в различных режимах функционирования винтоповоротного агрегата, представляет собой главную часть научного обоснования технологических и технических решений.

Задачи исследований:

1. Обосновать принцип, разработать структуру геовинчестерной технологии проведения горных выработок и сформулировать функциональные и конструктивные требования к базовому элементу — винтоповоротным проходческим агрегатам.

2. Разработать модель активного взаимодействия агрегата с вмещающими породами и на ее основе определить основные технические решения по компоновке и конструкции важнейших механизмов.

3. Разработать методику расчета функциональных, конструктивных и прочностных параметров проходческого агрегата при подвижной нагрузке и различных вариантах внешних воздействий в рабочих режимах и при маневровых операциях с использованием аппарата построения матриц влияния внутренних усилий.

4. Выбрать типичные важнейшие области применения геовинчестерной технологии, для которых спроектировать, изготовить опытные образцы винтоповоротных проходческих агрегатов и провести экспериментальную проверку их пригодности и работоспособности при проведении горных выработок.

5. Разработать новые технические решения по эффективным способам крепления горных выработок с использованием особенностей обработки при-контурной части массива агрегатами.

6. Разработать варианты и схемы использования геовинчестерной технологии для проведения горных выработок различного назначения и пространственного расположения.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использован комплекс методов, включающий:

— анализ и научное обобщение опыта разработки горнопроходческого оборудования с элементами системного анализа сложных, многофункциональных объектов;

— методы геотехнологии при обосновании области применения разработки;

— функционально-структурный анализ горных машин при выборе строения и компоновки ВПА, теория механического разрушения горных пород и теория резания грунтов для расчета различных вариантов исполнительных органов;

— методы геомеханики при обосновании моделей внешних воздействий на винтоповоротный агрегат в рабочих режимах и при маневрах;

— методы строительной механики, машиноведения и динамики машин в расчетах конструктивных и прочностных параметров ВПА;

— экспериментальные испытания опытных образцов и хронометражные наблюдения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Выбор технологического решения для проведения горных выработок на основе агрегатирования проходческого оборудования приводит к известному совмещению во времени основных операций технологического цикла вплоть до утраты границ между ними. Возникновение дополнительных функциональных связей ужесточает требования к научному обоснованию, осложняет проектирование технологии и затрудняет выбор параметров оборудования, но при этом могут быть исключены произвольные, нерациональные и не сбалансированные конструкторские решения.

2. Использование приконтурной части массива горных пород в качестве базового (замыкающего) звена создает взаимную обусловленность режимных, силовых и прочностных параметров различных рабочих органов. При этом многие части оборудования теряют свою определенность, но возможность ошибок, связанных с выбором не представительных рабочих режимов и расчетных нагрузок на стадии проектирования, исключается в принципе.

3. Адекватность квазистатической расчетной модели, положенной в основу методики определения силовых и прочностных параметров, обеспечивается самим принципом работы винтоповоротного проходческого агрегата и детерминированностью связей между функциональными характеристиками. Неопределенность и недостаточность информации о внешней среде частично удается компенсировать условиями замкнутости системы.

4. Особенности строения винтоповоротного проходческого агрегата и его нагружения при рабочих режимах и маневрах строго и однозначно отображаются в форме матриц влияния внутренних усилий (поперечных, продольных сил и изгибающих моментов). Тем самым методика расчета кольцевых несущих элементов корпуса является оптимальной по выбору функциональных характеристик.

5. Наиболее высокие функциональные возможности, включающие концентрацию усилия напора и вращающего момента вне зависимости от массы агрегата и направления проходки, а также маневренность, обеспечивают техническое решение движителя без опоры на постоянную крепь, с винтовой лопастью на корпусе и размещение гидродомкратов перемещения по хордам на шпангоутах сопряженных секций. Эти свойства воплощены в комплексе схем проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных выработок, а также в схемах возведения подземных сооружений различного назначения и расположения.

6. Винтовые и продольные каналы, остающиеся за контуром выработки, придают высокую эффективность подземному сооружению (работе постоянной крепи) за счет возможности перераспределения локальных нагрузок и повышенной продольной устойчивости. В случае отсутствия экстремально жестких требований удается существенно снизить металлоемкость постоянной крепи, используя иные конструктивные решения.

7. Предотвращение расслоения кровли, бортов и груди забоя не только способствует созданию безопасных условий эксплуатации, но допускает применение винтоповоротного агрегата при проведении аварийно-спасательных работ. Компоновка исполнительного органа и головной секции агрегата обеспечивает эффективную работу в разрушенной и фрагментиро-ванной среде, которая имеет место в аварийных ситуациях.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:

— использованием обширного опыта и апробированных результатов создания технологий и оборудования проходки горных выработок;

— привлечением фундаментальных моделей геомеханики для выбора исходных условий, допущений и расчетных схем;

— применением строгих методов математики и механики при исследованиях и расчетах;

— использованием корректных теоретических положений строительной механики, сопротивления материалов, машиноведения и динамики машин, а также теории разрушения горных пород и резания грунтов.

Достоверность подтверждается положительными результатами промышленной апробации базового элемента геовинчестерной технологииобразцов винтоповоротного агрегата.

Научная новизна работы:

— предложена идея проходки, основанной на представлении об окружающей геосреде, в конкретном случае — массиве вмещающих пород, во взаимодействии с которой реализуется проведение горной выработкип.

— впервые разработаны элементы геовинчестерной технологии, реализующей взаимодействие с приконтурной частью массива, что позволяет совместить во времени основные операции проходческого цикла;

— получены оригинальные технические решения в части структуры и компоновки нового вида проходческой техники — винтоповоротного агрегата, являющегося базовым элементом геовинчестерной технологии;

— разработана методика определения силовых параметров агрегата, отличающаяся наличием функциональных связей между показателями взаимодействия корпуса с приконтурной частью массива и нагрузками на исполнительном органе и учитывающая специфическое влияние проходческого забоя на силы горного давления;

— развит аппарат и впервые получен комплекс матриц влияния внутренних усилий (поперечных, продольных сил и изгибающих моментов) для кольцевых несущих элементов корпуса агрегата, учитывающих как подвижную нагрузку, так и различные комбинации внешних воздействий;

— разработаны оригинальные конструкции постоянной крепи горных выработок, эффективно использующие специфический профиль контура;

— предложены новые схемы проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных горных выработок, а также варианты возведения подземных сооружений различного назначения и расположения в пространстве.

Практическое значение работы. Результаты работы позволяют:

— предприятиям, осваивающим и использующим подземное пространство, применять новую, эффективную технологию проведения горных выработок;

— создавать новую, адаптированную к особым условиям и требованиям горнопроходческую технику с широким набором типоразмеров;

— совершенствовать конструкции постоянной крепи, прежде всего, повышая их продольную устойчивость, локальную несущую способность, а также технологичность установки;

— разрабатывать в соответствии с неординарными требованиями технологические схемы проведения горных выработок и возведения подземных сооружений различного назначения и пространственного расположения.

Личный вклад автора состоит в:

— разработке элементов новой технологии проходки, реализующей идею активного вовлечения окружающей геосреды в процесс проведения и крепления горных выработок;

— разработке технических решений нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов, включающих в себя оригинальные решения, как по отдельным элементам и системам агрегата, так и по его компоновке в целом;

— разработке методики расчета силовых и конструктивных параметров винтоповоротных проходческих агрегатов;

— разработке технических решений новых конструкций постоянной крепи горных выработок, адаптивных к геовинчестерной технологии;

— проведении экспериментальной проверки вариантов технических решений базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок;

— разработке технологических схем и вариантов использования геовинчестерной технологии при проведении горных выработок. различного назначения и расположения в пространстве.

Реализация результатов работы. Основным результатом выполненной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование возможности создания новой технологии проведения горных выработок и ее базового элемента, нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов, а также разработка новых конструкций постоянной крепи.

Одним из главных результатов проведенных исследований является создание методики расчета конструктивных и силовых параметров винтоповоротных проходческих агрегатов. Методика и технические решения по конструкции ВПА были использованы в ИУ СО АН СССР, РосНИИГД, ЦЭММ ПО «Киселевскуголь», НПО СибГОРМаш, АП «ЭЛСИБ» при разработке, создании и испытании экспериментальных образцов ВПА ЭЛАНГ диаметром 3,0 м и 4,0 м.

Проходческий агрегат ЭЛАНГ вошел в «Разработки СО АН СССР предлагаемые для широкого внедрения в народное хозяйство в XII пятилетке» (Раздел 1. Трудосберегающие ресурсы 1.2.55 — Вращающийся проходческий агрегат для проведения подготовительных выработок в слабых породах).

Результаты исследований автора также использованы при выполнении научно-исследовательских работ по теме «Разработка основ создания и совершенствования проходческих комплексов для подземных работ» и при создании САПР ГПМ (горнопроходческих машин).

Для реализации результатов проведенных исследований, производства и внедрения нового вида горнопроходческой техники — винтоповоротных проходческих агрегатов совместно с Ассоциацией «Кузбассуглемаш» создана научно производственная компания «Геомаш» (НПК Геомаш).

Апробация работы. Основное содержание работы, а также отдельные ее положения докладывались и обсуждались на научных конференциях в КузНИИшахтострое (1983 — 1985гг.), КузПИ (1983 г.), VI11, X Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охраны капитальных и подготовительных выработок (г. Якутске, 1982 г. и г. Кемерово, 1986 г.), Всесоюзной научной конференции по проблемам создания и внедрения горных машин с ударными исполнительными элементами (1985 г.), научных семинарах угольного отдела ИУ СО РАН (1985 — 1993 гг.), научном семинаре в ИГДС ЯФ СО АН СССР (1986г.), научных семинарах в РосНИИГД (1993 -1996гг.), совещаниях в ВПО «Кузбассуголь» и ПО «Киселевскуголь» (19 811 986гг.), ПО «Северокузбассуголь» (1989 — 1996гг.).

Макеты разработанных на основе исследований машин экспонировались на ВДНХ СССР и выставке Россия 1991.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 37 научных трудах, включая 4 монографии, патент США и 12 авторских свидетельств.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 11 глав, заключения, изложенных на 306 страницах машинописного текста, и содержит 95 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 103 наименований и 18 приложений на 72 страницах.

Основные выводы, конкретные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработанный принцип и новая структура геовинчестерной технологии (ГВТ) отличаются тем, что основные операции цикла не только совмещены во времени, но согласованы параметрически прочностью вовлеченной в силовое взаимодействие приконтурной части массива.

2. Техническое решение ГВТ состоит в том, что корпус винтоповорот-ного проходческого агрегата является движителем и одновременно крепью во взаимодействии с приконтурной частью массива. Наличие общей конструктивной базы при этом обеспечивает необходимое напорное усилие на забое. Маневры ВПА осуществляются при поддержании силового взаимодействия со средой и с перекрытием призабойной зоны, предотвращающим расслоение кровли, бортов и груди забоя. Дополнительно облегчается возведение постоянной крепи за счет соответствующего профилирования выработки. В ряде авторских свидетельств и патенте США указанные особенности признаны отличительными признаками.

3. Квазистатическая задача нагружения корпуса ВПА рассмотрена при наличии активных сил резания забоя и дополнительного трения корпуса о вмещающие породы. Влияние забоя на породы, нагружающие корпус, учтено моделью релаксационного типа. Разработанная методика определения силовых и прочностных параметров агрегата учитывает специфические особенности функционально-компоновочной схемы ВПА, в частности:

— определяются усилия на радиальных геликоидных ножах базового варианта исполнительного органа;

— определяются усилия, возникающие в межвитковых целиках, и их сум-ф ма, формирующая усилие перемещения секций агрегата.

4. Технологические возможности ГВТ определяются силовыми параметрами агрегатов, но управляются вариантами конструктивных решений:

— использование гидродомкратов в качестве силовых приводов обеспечивает работу ВПА размером Я>0,5 м, но увеличение радиуса агрегата с 1 до 3,5 м требует повышения усилия перемещения головной секции в 9 раз;

— направление проходки выработок не создает жестких ограниченийв пределе при изменении угла наклона от -90 град, до +90 град, необходимые усилия перемещения возрастают всего в 1,2 раза, а максимальные напряжения в межвитковых целиках — в 1,6 раза;

— винтовые лопасти на корпусе обеспечивают увеличение устойчивости от сползания в 5 раз по сравнению с щитовыми агрегатами.

Расположение гидродомкратов перемещения на шпангоутах сопрягаемых секций по хордам окружности контура в совокупности с винтовыми лопастями создает принципиально новую возможность подачи агрегата без упора в постоянную крепь. Перераспределение нагрузок приводит к снижению металлоемкости в 2 раза по сравнению с немеханизированными проходческими щитами и в 3 раза — по сравнению с механизированными.

5. Для математического моделирования существенной особенности функционирования ВПА — сочетания на корпусе подвижных нагрузок с рядом комбинаций внешних воздействий — разработана методика определения усилий в несущих конструкциях и элементах с использованием матриц влияния. На этой основе:

— аналитически исследован эффект циклического изменения положения секций агрегата относительно важнейших внешних нагрузок (в частностигорного давления);

— выявлены закономерности формирования внутренних усилий в эле.

• ментах кольцевой вращающейся крепи для оперативного оценивания возможностей маневров агрегата;

— определены прочностные параметры специфических несущих элементов корпуса.

6. Для обоснованных базовых вариантов — трехсекционного диаметром 3,0 м и двухсекционного диаметром 4,0 м — проведен детальный расчет параметров, доказавший возможность радикального (до 60%) снижения металлоемкости по сравнению с проходческими щитами и уменьшения в 5 раз необходимого усилия подачи. На этой основе спроектирована первая модель с исполнительным органом ножевого типа для разрушения горных пород с f < 1 (изготовлен ЦЭММ ПО «Киселевскуголь») и вторая модель с барабанным исполнительным органом для диапазона f < 4 (изготовлен АП ЭЛСИБ, г. Новосибирск).

7. В результате шахтных испытаний в сложных горно-геологических условиях шахты «Карагайлинская» ПО «Киселевскуголь» доказана принципиальная работоспособность трехсекционного винтоповоротного агрегата, перемещающегося без упора в постоянную крепьдостигнут совмещенный режим выполнения основных операций проходческого цикла.

Стендовые испытания ВПА с барабанным исполнительным органом показали эффективность и рациональность технических решений, воплощенных в агрегате, его конструктивных элементах и отдельных механизмах.

Экспериментальные исследования нагрузок в сложной конструкции ВПА подтвердили обоснованность расчетных моделей и достоверность методик определения прочностных параметров на основе матриц влияния внутренних усилий. Полностью заключение о сходимости результатов аналитических и экспериментальных исследований может быть сделано только после широких и масштабных испытаний, представляющих многообразие внешних воздействий и режимов (в том числе, маневров). Однако в полученных выборках не зарегистрированы значимые отклонения и противоречия.

8. Формируемый контур выработки с системой винтовых и продольных каналов благоприятствует применению ряда моделей постоянной крепи — металлической рамной, монолитной бетонной и сборной железобетоннойразработаны новые технические решения для операции крепления в геовинче-ф стерной технологии.

Установка элементов металлической рамной крепи в винтовые каналы существенно повышает общую несущую способность за счет передачи внешних усилий к менее нагруженным виткам, другим вариантом является снижение металлоемкости крепи не менее, чем на 30%. Наибольший эффект на крутонаклонных выработках создает радикальное увеличение продольной устойчивости постоянной крепи.

9. Возможность проведения одним агрегатом выработок различного назначения, способность маневрировать и концентрация на исполнительном органе значительного напорного усилия и вращательного момента реализована в предложенных технологических схемах проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных выработок, а также выработок специального назначения и возведения подземных сооружений, различным образом ориентированных в пространстве.

Кроме того, исключение образования свода обрушения пород кровли в призабойной зоне и расслоения пород груди забоя создают широкие перспективы применения ВПА в аварийно-спасательных работах.

10. Определены направления развития геовинчестерной технологии и ф винтоповоротных агрегатов различного назначения, реализующие другие схемы компоновки и иные типоразмеры. Предложена перспективная модель в виде «самолетной компоновки» с упрощенным принципом управления, позволяющая создать наиболее экономичную крепь с высокими нагрузочными характеристиками.

Заключение

.

Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований решена крупная научная проблема разработки научных основ геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания нового вида горнопроходческой техникивинтоповоротных агрегатов, имеющая важное хозяйственное значение.