CC BY
81
УДК 622.002.5 В.В Аксенов, А.Б. Ефременков, Е.В. Резанова
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ПРОТИВОВРАЩЕНИЯ В ГЕОХОДАХ
Проведение горных выработок различного назначения в разнообразных горно-геологических условиях (сыпучих, крепких, обводненных породах) предопределяет необходимость создания гаммы разнообразных по принципиальному и конструктивному строению проходческих систем. Одним из перспективных направлений является совершенствование нового вида горнопроходческой техники - геоходов [ 1] .
Перемещение геоходов в геосреде происходит путем последовательного или одновременного продольно-винтового перемещения секций на забой выработки с помощью винтовой лопасти, которая ввинчиваясь в массив горных пород удерживает геоход в пространстве и обеспечивает направленное движение по трассе выработки.
Возможность перемещения головной секции с винтовой лопастью на забой выработки обеспечивается расположенными по хордам гидродомкратами поворота, цапфы штоков которых закреплены на головной, а цапфы корпусов крепятся к стабилизирующей секции.
При выдвижении штоков, за счет геометрической особенности расположения гидродомкратов, создается мощный вращательный момент, обеспечивающий винтовое движение головной секции геохода на забой выработки.
При этом, являясь внутренним движителем, гидродомкраты поворота не только начинают вращать головную секцию, но и передают равный по величине момент на стабилизирующую секцию носителя.
Отличный от традиционного горнопроходческого оборудования принцип перемещения геоходов в геосреде обусловил и основную проблему -при проведении шахтных испытаний геохода ЭЛАНГ-3 наблюдался проворот стабилизирующих секций, что затрудняло винтовое движение головной секции геохода на забой выработки [2].
Для обеспечения возможности перемещения геоходов в геосреде необходимо удерживать стабилизирующую секцию от реактивного проворота
- в противном случае будет вращаться стабилизирующая, а не головная секция.
Задача удержания стабилизирующей секции от реактивного проворота предопределила необходимость введения в конструкцию геоходов устройства противовращения, функциональным назначением которого являлось восприятие нагрузки от работы силового оборудования, перераспределение его на приконтурный массив горных пород и предотвращение реактивного проворота стабилизирующей секции носителя.
Устройства противовращения впервые были апробированы в экспериментальных образцах геоходов ЭЛАНГ-3 и ЭЛАНГ-4 (рис. 1).
Устройство противовращения трехсекционного геохода ЭЛАНГ-3, предназначенного для проведения горных выработок в слабых и неустойчивых породах ( / < 1 по шкале проф. М. М. Прото-дьяконова), представляло собой шесть анкерных лыж 8, смонтированных на промежуточной В и стабилизирующей Г секциях носителя (рис. 2).
Рис. 1. Устройства противовращения геоходов а - геоход ЭЛАНГ-3; б - геоход ЭЛАНГ-4; 1 - устройство противовращения
Конструктивно анкерные лыжи были выполнены в виде изогнутых под значительным углом секторов, шарнирно закрепленных на концевых секциях собственных гидродомкратов перемещения 10 и дополнительно связанных с ними посредством гидроцилиндров управления. Взаимодей-
ствие устройства противовращения геохода ЭЛАНГ-3 с геосредой осуществлялось за контуром проводимой выработки [3].
При перемещении геохода ЭЛАНГ-3, анкерные лыжи 8, разворачиваясь на шарнирах 9, должны были выдвигаться за контур проводимой выработки и, внедряясь
в породу, фиксировать секции В и Г.
Ввиду последовательного режима перемещения секций геохода ЭЛАНГ-3 реактивный момент со стороны перемещаемой секции воспринимался анкерными лыжами сопряженной с ней секции. Работа анкерных лыж 8, смонтированных на секциях В и Г, происходила циклично.
Шахтные испытания геохода ЭЛАНГ-3 проводились на экспериментальном участке бремсберга № 37 шахты «Карагайлинская» ПО «Кисе-левскуголь» в период с 10 октября по 2 ноября 1984 г. Техническая характеристика геохода ЭЛАНГ-3 приведена в табл. 1 [2].
Одной из задач, обозначенных при проведении шахтных испытаний геохода, была проверка работоспособности устройства противовращения (анкерных лыж).
Геоход ЭЛАНГ-3 был опущен в специально подготовленный в глинистых породах под углом в 18° котлован. Нижняя отметка котлована составляла на момент начала испытаний 2 м от поверхности. Испытания проводились в сухой период, выработка не была обводнена [2].
Начальный участок бремсберга был огражден арками металлокрепи, перекрыт затяжкой и засыпан грунтом. По боковым сторонам геохода в
межвитковое пространство были уложены в один накат бревна, после чего на них был засыпан грунт. В выработке были уложены рельсовые пути [2].
После включения с пульта управления распределителей и выдвижения штоков гидродомкра-
тов устройства противовращения, анкерные лыжи, развернувшись на шарнирах, зафиксировали промежуточную и стабилизирующую секции геохода. На этом подготовка агрегата к работе была закончена.
Рабочий цикл начинался с поступления рабочей жидкости в ходовые гидродомкраты и продольно-винтового перемещения головной секции геохода на забой выработки. После перемещения на величину, равную шагу передвижки, реверсировалась подача рабочей жидкости в гидродомкраты промежуточной секции геохода и анкерные лыжи втягивались во внутреннее пространство секции. Далее посредством ходовых гидродомкратов промежуточная секция перемещалась к головной до стыковки торцевых поверхностей их оболочек. Винтовое движение реализовалось посредством винтовой лопасти. По окончании цикла передвижки промежуточная секция вновь фиксировалась от проворота анкерными лыжами. Перемещение стабилизирующей секции геохода осуществлялось аналогично.
В общей сложности за период шахтных испытаний геохода ЭЛАНГ-3 было пройдено 9 метров наклонного бремсберга; общее число циклов поворота корпуса геохода составило 83 раза [2].
Согласно протоколу шахтных испытаний, в начальный период работы геохода анкерные лыжи упирались в бревенчатую обкладку, которая сверху была засыпана грунтом. Войдя в наносы, промежуточная и стабилизирующая секции геохода начали нарезать себе индивидуальные винтовые каналы в приконтурном массиве горных пород.
Таблица 1. Техническая характеристика геохода ЭЛАНГ-3
№ Параметр Ед. изм. Характеристика
1 Диаметр по винтовой лопасти внутренний мм. 3400 2S00
2 Количество секций шт. 3
3 Ширина одной секции мм. 1230
4 Шаг винтовой лопасти мм. б00
5 Высота винтовой лопасти мм. 1S0
б Площадь сечения выработки м2 7,2
7 Масса кг. 10000
S Длина оболочки щита мм. Зб90
Исполнительный орган
9 Тип - ножевой
10 Число режущих ножей шт. 4
11 Длина одного ножа мм. 1300
12 Усилие, приходящееся на метр ножей кН/м 173
13 Толщина срезаемой стружки мм. 150
Механизм подачи
10 Тип - гидравлический
11 Количество подающих домкратов шт. 12
12 Внутренний диаметр мм. 100
13 Суммарное развиваемое усилие кН 1920
14 Усилие, приходящееся на м2 поверхности оболочки головной секции кН/м2 102
15 Ход гидродомкратов подачи мм. б00
1б Продольная подача секции за цикл вращения мм. б0
Устройство противовращения
17 Тип - гидравлический
1S Принцип работы - радиальное внедрение в приконтурный массив
19 Количество гидродомкратов шт 6
20 Диаметр гидродомкратов мм 100
21 Ход поршня мм 400
22 Суммарное развиваемое усилие кН 640
Насосная станция
23 Тип - СНУ-5У
24 Максимальное рабочее давление МПа 20
25 Производительность насоса ВНР32/20 одного двух дм3/с (л./мин.) 0,бб (40)
2б Емкость бака м3 (л) 0,75 (750)
27 Общая мощность кВт 40
Производительность агрегата техническая при ножевом ИО
2S На одном насосе м/смену б,1
29 Объемная м3/смену 43,5
Ввиду того, что винтовая лопасть головной секции геохода уже сформировала винтовой канал с шагом 0,6 м, последующие секции вместо формирования разрушали межвитковый целик. Разрушенная масса просыпалась в нижнюю часть выработки
и способствовала «всплыванию» промежуточной и стабилизирующей секций геохода.
Из-за заклинивания секций также существенно увеличилось потребное усилие на их проворот (за период шахтных испытаний произошло семь поломок узлов крепления ходовых гидродомкратов) [2].
На анкерные лыжи были наварены планки с целью изменения характера их внедрения в при-контурный массив горных пород, максимального
уплотнения грунта под планкой и реализации тем самым условия самостопорения. Кроме того, на стабилизирующую секцию были наварены дополнительные упоры, обратные концы которых упирались специальной пятой в почву выработки [2].
Измененная конструкция устройства противо-вращения геохода ЭЛАНГ-3 в некоторой степени уменьшила разрушение межвиткового целика и обеспечила уплотнение грунта под анкерными лыжами, однако достаточной удерживающей способности устройства противовращения геохода обеспечить не удалось и секции продолжали «всплывать». Для улучшения условий работы агрегата уложенные в нижней части выработки рельсы захватывали малой тягалкой и приподнимали [2].
Подтвердив в ходе шахтных испытаний принципиальную возможность и перспективность перемещения геоходов без упора в ранее установленную крепь или обделку выработки, а также возможность расширения области их применения на крутонаклонные и вертикальные горные выработки, вопрос о надежном удержании стабилизирующих секций от реактивного проворота остался не решенным.
Ввиду принципиальной новизны идеи перемещения геоходов в геосреде, во втором экспериментальном образце геохода ЭЛАНГ-4 было реализовано иное техническое решение устройства противовращения - в виде стрингеров.
Принципиальным отличием двухсекционного геохода ЭЛАНГ-4 от трехсекционного ЭЛАНГ-3 являлась возможность реализации совмещенного во времени режима перемещения секций (рис. 3).
Стрингеры 17 представляли собой снабженные ножевой кромкой устройства, средние плоскости которых были ориентированы параллельно образующим цилиндрической оболочки стабилизирующей секции 9 геохода. Внутри для обеспечения жесткости были предусмотрены проставки
[4].
При приложении к головной секции геохода ЭЛАНГ-4 момента движущих сил, создаваемого гидродомкратами поворота, стрингеры 17 должны были воспринимать реактивную нагрузку от работы силового оборудования и перераспределять ее на приконтурный массив горных пород, предотвращая тем самым проворот стабилизирующей секции носителя.
При подтягивании стабилизирующей секции геохода к головной, стрингеры 17, преодолевая усилия сопротивления внедрению, должны были формировать продольные каналы за контуром проводимой выработки [2, 4].
Однако, в экспериментальном образце геохода ЭЛАНГ-4 изначально было заложено противоречие: исполнительный орган, выполненный в виде барабана с резцами, предназначался для разрушения пород крепостью / <4^6 (по шкале проф. М. М. Протодьяконова), а устройство противовращения (стрингеры) способны были разрушать при внедрении породу крепостью f <1. Предусмотренные в конструкции окна, предназначенные для возможно активного разрушения пород большей крепости, проблемы не решали.
Промышленные испытания геохода ЭЛАНГ-4 проводились в цехе № 1 АП ЭЛСИБ (г. Новосибирск) в 1994 г. Техническая характеристика геохода приведена в табл. 2.
Агрегат был установлен на испытательном стенде, представляющем собой видоизмененную конструкцию стартового устройства. Имитация горно-геологических условий проведения горной выработки была осуществлена перетяжкой корпуса геохода канатами [2].
В ходе испытаний геохода ЭЛАНГ-4 головная секция с винтовой лопастью на наружной поверхности перемещалась в ложе испытательного стенда плавно, но с небольшим кратковременным заеданием. За один цикл срабатывания гидро-
Таблица 2. Техническая характеристика геохода ЭЛАНГ-4
№ Параметр Ед. изм. Характеристика
1 Диаметр по винтовой лопасти по образующей секции мм. 4200 3700
2 Количество секций шт. 2
3 Шаг винтовой лопасти мм. б15
4 Высота винтовой лопасти мм. 250
5 Площадь сечения выработки м2 11
б Масса (без устройства запуска) кг. 15000
7 Длина секций: головной стабилизирующей мм. 1750 1230
Исполнительный орган
в Тип - барабанный
9 Количество барабанов шт. 2
10 Скорость вращения об/мин. в
11 Толщина разрабатываемого уступа мм. 307
12 Диаметр барабана мм. 540
13 Привод барабана - гидромотор ВЛГ-400А
Устройство противовращения
14 Тип - стабилизаторы с проставками
15 Принцип работы - продольное внедрение в приконтурный массив
1б Количество стабилизаторов шт. б
Привод перемещения головной секции
17 Тип - гидравлический
18 Количество гидродомкратов шт. б
19 Внутренний диаметр мм. 125
20 Суммарный крутящий момент при номинальном давлении (20 МПа) МНм 3500
21 Рабочий ход мм. 4в0
Привод перемещения стабилизирующей секции
22 Тип - гидравлический
23 Количество гидродомкратов шт. 15
24 Внутренний диаметр мм б0
25 Рабочий ход мм 30
2б Суммарное осевое усилие на стабилизирующей секции при 20 МПа МН в5
Насосная станция
27 Тип - СНУ-5 (СНТ-32)
28 Максимальное рабочее давление МПа 10,0-20,0
29 Подача насосов л./мин в0-90
30 Емкость бака м3 (л) 0,75
31 Установленная мощность кВт 55
домкратов винтовое перемещение головной секции составляло 550 мм, продольное - 30 мм. Стабилизирующая секция подтягивалась к головной плавно, без перекосов; гидродомкраты перемещения срабатывали штатно.
За период испытаний головная секция совершила 12 оборотов вокруг продольной оси геохода; общее осевое перемещение составило более 7 метров [2].
В соответствии с протоколом промышленных испытаний доказано, что геоходы не имеют аналогов среди изделий горного машиностроения. По принципу перемещения и наличию оригинальных функционально-конструктивных устройств и элементов, геоходы были идентифицированы как новый вид горнопроходческой техники [2].
Однако, работоспособность устройства проти-вовращения (стрингеров) в ходе промышленных
испытаний геохода ЭЛАНГ-4 не исследовалась.
Необходимо отметить, что устройства проти-вовращения изначально предназначены для восприятия и перераспределения на приконтурный массив горных пород значительной по величине нагрузки от работы силового оборудования и напрямую определяют работоспособность геохо-
дов, реализуя силовое замыкание на приконтур-ный массив горных пород и обеспечивая возможность перемещения головной секции на забой выработки.
Отсутствие обоснованных технических решений устройств противовращения сдерживает создание новых образцов геоходов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов, В. В. Геовинчестерная технология и геоходы - наукоемкий и инновационный подход к освоению недр и формированию подземного пространства / В. В. Аксенов, А. Б. Ефременков // Уголь. -М., 2009. - № 2. - С. 26-29.
2. Аксенов, В. В. Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов. Дисс. ... докт. техн. наук. - Кемерово : ИУУ СО РАН, 2004. - 320 с.
3. А. с. 1229354, СССР, МКИ2 E21D 9/06. Проходческий щитовой агрегат / ИГД СО АН СССР; В.
Ф. Горбунов [и др.]. - Опубл. в Б. И., 1986. - № 17.
4. А. с. 1647144, СССР, МКИ2 E21D 9/06. Проходческий щитовой агрегат / В. Ф. Горбунов [и др.]. -Опубл. в Б. И., 1991. - № 17.
□ Авторы статьи:
Аксенов Владимир Валерьевич
- докт. техн. наук, в. н. с. ИУУ СО РАН, профессор ЮТИ ТПУ т. 8-908-953-55-22 у. aksenov@icc .kemsc .ш
Ефременков Андрей Борисович
- канд. техн. наук, доцент, директор ЮТИ ТПУ т. 8-(384-51)-6-26-83 vtitpu@tpu.ru
Резанова Елена Викторовна
- асс. каф. ГШО ЮТИ ТПУ т. 8-904-572-б0-7б elen-rezanova@yandex.ru
