Оценка возможности применения существующих крепеустановщиков в условиях геоходной технологии Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

12В.Ю. Садовец, к.т.н., доцент, 1Д.А. Пашков, студент 1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, 2Юргинский технологический институт Национального исследовательского Томского

политехнического университета

Оценка возможности применения существующих крепеустановщиков в условиях геоходной технологии

УДК 622.002.5

В статье представлены существующие технические решения устройств для возведения различного вида постоянной крепи. Приведены их основные достоинства и недостатки Произведена оценка возможности применения существующих технических решений устройств для возведения постоянной крепи в условиях геоходной технологии. Сформулировань цель и задачи работы направленной на разработку функциональных устройств по возведению постоянной крепи в условиях геоходной технологии проведения выработок

При возведении горных выработок, подземных сооружений и магистральных тоннелей одним из основных процессов, определяющих скорость и стоимость образования полости в подземном пространстве, является крепление. По сравнению с другими технологическими операциями проходческого цикла возведение постоянной крепи характеризуется большой долей ручного труда [1, 2, 3].

Степень механизации процесса возведения постоянной крепи может достигать для существующих конструкций металлической крепи - 0,5, деревянной - 0,59, монолитной бетонной - 0,71, анкерной - 0,8, набрызгбетонной - 0,95 [4].

В настоящее время активно развиваются элементы геоходной технологии проведения выработок. Геоходная технология, обладая отличительными особенностями в сравнении с существующими технологиями, является перспективным направлением в области освоения подземного пространства [5, 6, 7].

Геоходная технология - процесс механизированного проведения горных выработок с формированием и использованием системы законтурных винтовых и продольных каналов, в котором операции по разработке забоя, уборке горной массы, креплению выработанного пространства, а также перемещению всей проходческой системы на забой осуществляются в совмещенном режиме [8, 9]. Базовым элементов геоходной технологии является геоход.

В технологическом процессе крепления полости в подземном пространстве в условиях геоходной технологии можно выделить следующие основные технологические операции:

- подготовка элементов крепи к установке (соединение элементов верхняка, укладка элементов в транспортные кассеты и др.)

- подготовка поверхности выработки к установке крепи;

- установка несущих элементов крепи;

- крепление несущих элементов с ранее установленной рамой;

- предварительное соединение составных частей крепи в узлы;

- поднятие верхняка под кровлю выработки и его фиксация;

- соединение узлов крепи с несущими элементами;

- установка межрамных распорок;

- заполнение пространства между поверхностью выработки и постоянной крепью быстротвердеющими материалами [10, 11].

Цель работы: оценить возможность применения существующих устройств для возведения постоянной крепи в условиях геоходной технологии.

В настоящее время при механизации возведения постоянной крепи применяются различные технические устройства [12, 13, 14]. Достоинства и недостатки основных технических устройств для возведения рамной крепи, блочной крепи и обделок представлены в таблице 1.

Проведенный анализ показал, что ни одно из существующих технических устройств для возведения постоянной крепи не удовлетворяет требованиям геоходной технологии проведения выработок [15].

Отсутствие аналогов и уникальность геоходной технологии обосновывает необходимость разработки и создания обоснованных технических решений крепевозводящего модуля геохода [16, 17]. Поэтому работа, направленная на создание методологии разработки и обоснования функциональных и конструктивных элементов крепевозводящего модуля является актуальной [18, 19].

№ труп пы Описание технического решения Достоинства Недостатки

Устройства для возведения рамной крепи (крепеустановщики)

Крепеустановщики данной группы имеют собственную ходовую тележку 2 (колесно-рельсовую или колесную), подъемный механизм 1 и подъемный стол

3.

1. повышение производительности достигается за счет забора пакета крепи;

2. точности установки элементов крепи;

3. одновременная установка нескольких секций крепи;

4. доставка пакета крепи в зону установки;

5. снижение трудоемкости возведения крепи;

6. повышение безопасности при монтаже арочной крепи.

1. большие габариты транспортируемого пакета крепи;

2. сложная конструкция подъемного стола;

3. наличие гидроцилиндров для удержания боковых элементов крепи;

4. недостаточная надежность консольного крепления боковых элементов крепи;

5. сравнительно высокая трудоемкость, обусловленная необходимостью ручного труда при зарядке пакета крепи;

Крепеустановщики данной группы устанавливаются на проходческом оборудовании (на носителе), также имеют подъемный механизм 1 и подъемный стол 5.

¿о) А / ш 7 * ? ?

• г 1 ^ Г'1 1 | ц/П' ¡VI '

А р|

1. не имеет своего механизма перемещения;

2. располагается на единой конструктивной базе с проходческим комбайном;

3. установка крепи производится практически в зоне разрушения горного массива;

4. компактность оборудования крепеустановщика.

1. повышенная трудоемкость крепления выработок;

2. необходимость выполнения промежуточных операций по перегрузке верхняков крепи с крана укосины на цепной конвейер, а с него на подъемный стол;

3. при установке крепи требуется остановка проходческого комбайна;

4. в зоне установки крепи располагается проходческое оборудование.

дд

Л

Крепеустановщики данной группы подвешиваются на монорельс, устанавливаемому на верней части закрепленной выработки, имеют механизм перемещения 1, механизм подъема 2 и подъемный столЗ.

1. зарядка устройства крепевозведения производится вне зоны крепления;

2. ходовая тележка перемещается в верхней части выработки;

3. перемещение осуществляется по монорельсу;

4. отсутствие технологического оборудования в сечении выработки;

5. позволяет устанавливать несколько секций крепи одновременно.

1. для перемещения устройства требуется установка монорельса;

2. призарядки элементами крепи устройство занимает практически все сечение выработки;

3. предварительная укладка секций крепи вдоставочное устройство;

4. призарядки элементами крепи устройство занимает практически все сечение выработки._

Устройства для возведения блочной крепи (блокоукпадчики)

Блокоукпадчики кольцевого типа монтируются в хвостовой части щита, состоят из приводного кольца 1 с укладочным механизмом 7, установленным на наружных или внутренних опорах.

1. применение для малых и больших диаметров выработок;

2. пошаговый принцип работы, что позволяет избегать попыток спешки;

3. установка элементов обделки как с болтовым так и без болтового соединения;

4. возможность подачи элемента крепи в любое место периметра выработки;

5. точное позиционирование элементов крепи при установке;

6. установкаштучной крепи при проведении или восстановлении горных выработок.

1. устройство занимает центральную часть выработки;

2. отгрузка породы производиться только когда схват располагается в верней части выработки;

3. шаговый принцип работы приводит к простоям проходческого оборудования;

4. область применения ограничена горизонтальными выработками;

5. недостаточная маневренность;

6. массивные механизмы установки, требующие мощного привода;

Блокоукпадчики рычажного типа состоят из ходовой тележки 1, на которой располагается и поворотного рычага 6, с манипулятором для захвата элементов крепи.

1. в устройстве не применяется электрическое оборудование;

2. одновременная установка и поддержание двух секций

1. устройство занимает центральную часть выработки;

2. отгрузка породы производиться только кода схваты_

крепи;

3. совмещение операций разработки забоя с удалением породы и монтажа обделки;

4. установка элементов обделки как с болтовым так и без болтового соединения

5. корпус укладчика является несущим для установки оборудования для ведения проходческих работ.

располагаются в верней части выработки;

3. жёстко закреплён с конвейером что затрудняет разгрузку;

4. устройство применимо только при проведении выработок с диаметром более 5 м.;

5. шаговый принцип передвижения.

Блокоукпадчики кассетного типа состоят из кассеты 1, которая имеет механизм поворота 2, расположенной на горизонтальной раме, с гидроприводом 3.

6л. 1

Ш

1. достаточное свободное пространство в сечении выработки;

2. одновременная установка всех секций кольца тюбинговой крепи;

3. возможность закачки бетона в полость между кольцом обделки и массивом горных пород;

4. точное позиционирование элементов крепи при установке;

5. установка элементов обделки как с болтовым так и без болтового соединения.

1. применение при проведении выработок диаметром более 5

м.;

2. напряженная работа кассеты при ее периодических поворотах, возникающая вследствие

неуравновешенности системы;

дд

л

Устройства для возведения монолитной крепи (опалубки)

7 Опалубка состоит из четырех секций 1, механизм поворота секций 2 и устройства перемещения, состоящего из элементов 7, 8,9, 10 и 11. 1. центральная часть выработки не занята оборудованием; 2. одновременное выполнение 1. высокая стоимость бетонной смеси; 2. наличие установки для

а а "*] 1 I * 1

всех операции проходческого цикла;

3. возможность возведения монолитной крепи на участке от 2 до 5 м.;

4. пониженный расход бетонной смеси;

5. высокое качество поверхности обделки;

6. низкое усилие отрыва секций.

приготовления бетонной смеси;

3. большое количество расходных материалов;

4. применение на выработках круглого сечения;

5. простои оборудования связанное с временем затвердевания бетонной смеси.

Передвижная опалубка на колесном (колесно-рельсовом) ходу состоит из опалубочных секций 1, механизма их раздвижения 4 и устройства перемещения состоящего из элементов 6, 7, 8, 9, 10.

I.

1. автономность работы;

2. центральная часть выработки не занята оборудованием;

3. высокое качество поверхности обделки;

4. одновременное выполнение всех операций проходческого цикла;

5. создание монолитной обделки в выработке любого поперечного сечения..

процесс возведения крепи подразумевает применение переставных или передвижных рельсовых путей; достаточная трудоемкость процесса.

Подвижные опалубки состоят из составных секций 10, механизма перемещения 18, состоящего из монорельса и передвижной каретки. Движение опалубки производится путем отрыва последней секции и перемещения ее по монорельсу на бетонируемый участок выработки

1. для возведения монолитной крепи;

2. уменьшение трудоемкости по перемещению опалубки в полости выработки;

3. монорельс имеет возможность

1. затруднено транспортирование горной массы при перемещении секций опалубки;

2. применение на выработках с круглым поперечным сечением;

3. установка монорельса._

1ЧЭ

-О

ю го

и

о ч о о. 1=

О)

ю о

О)

ц

о о

■ ю с

х «2 о

со О

О I

Я о

о <=р а о

ю ь

о о

I ^

ср о.

¡= Ф

.0

5з £

ГО X

£ 2

£ $

; ГО <5

» со с

Ш О

I->у

<0

2 а

о 0)

.0

со

° т

о го .0 "

§3

0)

X

0)

Н ^

53 о>

2 8 0) 5 Ср 0)

1= С! О 1= Ю

К X

1 1

Ю I-

ш ц

СО о

Я 1

2 о

со ^

.0 X

£ 1

§ °

О (Ц X ю ^ О

со о со

(О

го

О X

о О

ю го а

о

О го _

ч 0) Ср 0)

о щ

^ -о X

^ Щ «В

^ 0) СО

о к О

2 ц а

с I о °

Ш 2 о |_

О. .0 (и

^ го со ю

Крепевозводящий модуль геохода - это функциональное устройство, предназначенное для возведения постоянной крепи, учитывающая условия и возможности геоходной технологии.

На сегодняшний день выявлено, что:

1. Отсутствуют:

- требования к функциональным устройствам крепевозводящего модуля;

- конструктивные решения крепевозводящего модуля геохода и его вспомогательных функциональных элементов;

- компоновочные решения расположения крепевозводящего модуля относительно носителя геохода;

- методики расчета конструктивных и силовых параметров крепевозводящего модуля, адаптивных к работе в различных условиях.

2. Не исследованы:

- возможность работы крепевозводящего модуля в непрерывном режиме;

- способность работы крепевозводящего модуля по установке различного вида крепи;

- влияние компоновочных решений расположения крепевозводящего модуля на НДС хвостовой секции геохода;

- возможность минимизации массово-габаритных характеристик крепевозводящего модуля, для увеличения свободного пространства внутри геохода;

- обоснование необходимости подготовки системы законтурных каналов для установки постоянной крепи.

3. Не проработаны вопросы:

- расчета на прочность элементов крепления крепевозводящего модуля к хвостовой секции геохода;

- создания обоснованных конструктивных решений функциональных устройств и элементов крепевозводящего модуля;

- разработки функциональных устройств и элементов для подготовки системы винтовых и продольных каналов для установки постоянной крепи.

Для достижения поставленной цели Псоздание научных основ разработки функциональных устройств по возведению постоянной крепи в условиях геоходной технологии проведения выработок, необходимо решить следующие задачи:

- обосновать принцип и разработать структуру функционального устройства по возведению постоянной крепи для проведения выработок в условиях геоходной технологии и сформулировать требования к крепевозводящему модулю геохода;

- разработать обоснованные варианты конструктивных решений функциональных устройств и вспомогательных элементов крепевозводящего модуля геохода для возведения постоянной крепи;

- наработать обоснованных вариантов компоновочных решений расположения крепевозводящего модуля относительно носителя геохода в зависимости от условий проведения выработки;

- разработать модель взаимодействия функциональных устройств крепевозводящего модуля с элементами хвостовой секции геохода;

- разработать методику расчета и проектирования устройств и элементов крепевозводящего модуля геохода, учитывающую конструктивное и компоновочное решение функционального устройства по возведению постоянной крепи;

- выбрать области применения конструктивных решений крепевозводящего модуля, для которых спроектировать и изготовить опытные образцы, а также провести экспериментальную оценку их пригодности и работоспособности в условиях геоходной технологии проведения выработок.

Выводы

Для представленных технических устройств возведения постоянной крепи выявлены достоинства и недостатки, а также проведена оценка применимости их в условиях геоходной технологии.

Выявлено, что ни одно из существующих технических решений невозможно адаптировать под требования геоходной технологии.

Сформулированы цель и задачи работы направленной на создание научных основ разработки функциональных устройств по возведению постоянной крепи в условиях геоходной технологии проведения выработок.

Список литературы

1. Аксенов В.В., Садовец В.Ю.Оценка необходимости создания крепевозводящего модуля геохода и его функциональных устройств: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № S3. С. 9-14.

2. Горбунов В.Ф. Экспертная оценка влияния особенностей нового класса горнопроходческой техники на методику расчета его параметров / В.Ф. Горбунов,

B.В. Аксенов, В.Ю. Садовец // Вестник КузГТУ - 2004. - №6.1. - С.43...45.

3. Горбунов, В. Ф., Аксенов В. В., Садовец В. Ю.Структурная матрица горнопроходческих систем // Служение делу. Кемерово: КузГТУ, 2006. С. 77-84.

4. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Резанова Е.В.Синтез технических решений нового класса горнопроходческой техники // Известия вузов. Горный журнал / Екатеринбург, 2009-№ 8. С. 56-63.

5. Sadovets V.Y., Beglyakov V.Y., Aksenov V.V. Development of math model of geokhod bladed working body interaction with geo-environment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2015. Т. 91.

C.012085.

6. Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Структурная матрица геоходов / «Служение делу». ГУ КузГТУ -Кемерово; 2006, стр. 90-100.

7. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Буялич Г.Д., Бегляков В.Ю. Влияние уступа на НДС призабойной части горной выработки // Горный информационный аналитический бюллетень. Горное машиностроение/ Москва, МГГУ, 2011 - ОВ № 2. С. 55-67.

8. Sadovets V.Y., Beglyakov V.Y., Efremenkov A.B. Simulation of geokhot movement with blade actuator // Applied Mechanics and Materials. 2015. Т. 770. С. 384390.

9. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец В.Ю., Резанова Е.В. Формирование структурного портрета геохода // Вестник Кузбасского государственного технического университета.2010. № 01. С. 35-41.

10. Walter A.V., Aksenov V.V. Determining deviations in geometry of the geokhod shells // Applied Mechanics and Materials. 2015. Т. 770. С. 439-444.

11. Аксенов В.В., Садовец В.Ю.Синтез технических решений ножевого исполнительного органа геохода // Вестник Кузбасского государственного

технического университета. 2006. № 6. С. 33-37.

12. Садовец В.Ю., Аксенов В.В. Ножевые исполнительные органы геоходов: монография/В.Ю Садовец, В.В. Аксенов // Издательство: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH&Co. KG Heinrich-Böcking-Str. 6-8, 66121 Saarbrücken, Germany. 2011. - 141 с.

13. Аксенов В.В., Ефременков А.Б., Садовец

B.Ю., Резанова Е.В. Создание инновационного инструментария для формирования подземного пространства // Вестник КузГТУ / Кемерово, 2010-№ 1

C. 42-46.

14. Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Классификация крепевозводящих модулей геоходов // В сборнике ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭКОНОМИКА В МАШИНОСТРОЕНИИ Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск, 2014. С. 269-272.

15. Blashchuk M.Y., Kazantsev A.A., Chernukhin R.V. Capacity Calculation of Hydraulic Motors in Geokhod Systems for Justification of Energy-Power Block Parameters // Applied Mechanics and Materials. 2014. Т 682. С. 418-425.

16. Аксенов В.В. Создание нового инструментария для формирования подземного пространства / Хорешок А.А., Ефременков А.Б., Казанцев А.А., Бегляков В.Ю. Вальтер А.В. // Горная техника. 2015. № 1 (15). С. 24-26

17. Садовец В.Ю., Пашков Д.А Последовательность операций возведения крепи в условиях геовичестерной технологии // В сборнике Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири Сибресурс 2014 Материалы XV международной научно-практической конференции. В.П. Тациенко (отв. редактор), В.А. Колмаков (зам. отв. редактора) 2014. С. 63.

18. Аксенов В.В., Казанцев А.А., Дортман А.А Обоснование необходимости создания систем крепи горных выработок при проходке геовинчестерной технологии / Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № S3 С. 138-143.

19. Аксенов В.В., Казанцев А.А. Армирующая законтурная крепь горных выработок - новый подход к строительству подземных сооружений / Институт угля Сибирского отделения РАН: Отдельный выпуск Горного информационно-аналитического бюллетеня (научно-технического журнала) Mininglnformationalanc analyticalBulletin (scientificandtechnicaljournal). - 2013. -№ ОВ6. - с. 411-418 ISSN 0236-149.