Проведение подземных выработок. Структура инновационного инструментария для формирования подземного пространства Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.В. Аксенов, Б.Л. Герике, И.К. Костинец, Н.А Емельяненко, 2011

В.В. Аксенов, Б.Л. Герике, И.К. Костинец,

Н.А. Емельяненко

ПРОВЕДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТОК.

СТРУКТУРА ИННОВАЦИОННОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Рассмотрен принципиально новый подход к проведению горных выработок. Представлена структура инновационного инструментария (геотехнология, геотехника, крепь) для формирования подземного пространства.

Ключевые слова: проведение подземных выработок, формирование подземного пространства, инновационный инструментарий, геоход, законтурная крепь, геодинамика подземных аппаратов.

ТЖ нновационный инструментарий для формирования подземного пространства (инновационный ИФПП) - комплекс, включающий в себя принципиально новые:

1. Подход к проведению горных выработок и формированию подземного пространства;

2. Технологии проведения подземных выработок;

3. Класс проходческой техники;

4. Вид крепей горных выработок и обделок подземных сооружений;

5. Научно-методическое обеспечение.

1. Новый поход к проведению горных выработок и формированию подземного пространства - проходка горных выработок изначально рассматривается как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород (геосреде).

Традиционно в подземных условиях для перемещения проходческого аппарата используются внешние движители: гусенич-ные, колесные, колесно-рельсовые или распорно-шагающие. Они (движители) хорошо показавшие себя при работе на земной поверхности (на контакте твердой и воздушной сред), не приспособлены для движения в геосреде.

Авиаконструкторы и кораблестроители при проектировании и строительстве аппаратов, предназначенных для движения в воздушном пространстве (самолет, вертолет и др.) и водной среде (корабль,

подводная лодка и др.) изыскали возможность использования самой среды для создания усилий тяги при движении соответствующего аппарата. Для этой цели были созданы внешние движители: пропеллер, гребной винт и др. В результате была получена возможность перемещения твердого тела (аппарата) в любом направлении воздушного или водного пространства.

При новом подходе проходческий агрегат (геоход) оснащается внешним движителем, взаимодействующим с геосредой, а приконтур-ный массив (геосреда) используется:

• как опорный элемент, участвующий в создании движущей силы подземного проходческого агрегата - геохода;

• для формирования напорного усилия на исполнительном органе геохода;

• для восприятия реактивных усилий при движении проходческого агрегата;

• для выполнения основных технологических операций, включая и крепление выработки постоянной крепью.

2. Новые технологии проведения подземных выработок.

Геовинчестерные технологии проведения подземных выработок (ГВТ) — 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 [1, 2]. Вовлечение приконтурного массива горных пород достигается введением дополнительной технологической операции - формирования системы законтурных каналов.

Область применения ГВТ:

• Проходка подземных выработок различного расположения в пространстве.

• Возведение подземных сооружений различного назначения:

- городские коллекторы;

- магистральные тоннели метро;

- прокладка каналов в железнодорожных насыпях (без остановки движения ж/д составов);

- подземные склады, хранилища;

- подземные переходы, гаражи;

• Ведение аварийно-спасательных работ в завалах.

• Возведение полевых фортификационных сооружений

Отличительные потребительские свойства.

• Совмещенное выполнение операций при проходке подземных выработок.

• Снижение в 6 и более раз металлоемкости оборудования проходческой системы.

• Повышенная безопасность ведения проходческих работ при полной защите призабойной зоны от вывалов породы.

• Повышение в 4 и более раз темпов проходки, производительности труда.

• Снижение трудоемкости и стоимости ведения проходческих работ.

• Возможность проведения выработок с любым расположением в пространстве.

3. Новый класс проходческой техники.

ГЕОХОДЫ - аппараты (рис.1), движущиеся в породном массиве с использованием геосреды. Базовый элемент ГВТ. Представляя собой принципиально новый класс горных машин, геоходы предназначены для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве, аналогов конструкции в мировой практике нет.

Основные отличия геоходов:

• Принцип работы.

• Наличие новых функционально-конструктивных элементов.

• Возможность реализации на исполнительном органе любых напорных усилий (возможность создания ИО для разрушения крепких пород).

• Качественно новые функциональные возможности.

Основными элементами и системами геохода являются:

- Корпус (носитель) геохода.

- Исполнительный орган (ИО) разрушения забоя.

- Внешний движитель,

ИО внешнего движителя.

- Диафрагма ИО.

- Крыло. ИО крыла.

- Погрузочная система.

- Транспортная система.

- Крепевозводящий модуль.

- Энергосиловая установка.

- Трансмиссия.

- Система управления по трассе.

- Г идравлическая система.

- Электрическая система.

- Система управления геохода.

- Стартовое устройство.

- Вспомогательные системы.

Рис. 1. Геоходы

Многие системы не имеет аналогов в горном машиностроении, обладают основополагающими отличиями по назначению и принципу работы от всех существующих систем горнопроходческих комбайнов и проходческих щитов.

4. Новый вид крепей горных выработок и обделок подземных сооружений.

Законтурная, встроенная в породный массив крепь (рис.2). Использование винтовых и продольных каналов за контуром проводимой подземной выработки для формирования пространственной несущей системы крепь - приконтурный массив пород.

В процессе работы геоходов за контуром проводимой выработки образуются системы каналов, определенным образом сориентированных относительно оси выработки.

Наличие винтовых каналов закладывает потенциальную возможность размещения в них несущих элементов крепи, увеличивая полезную площадь сечения проводимой выработки и снижая ее аэродинамическое сопротивление, возможность создания и применения новых облегченных видов крепей.

При установке несущих элементов рамной крепи в винтовые каналы крепь получает вид замкнутой спирали, что в процессе ее

Рис. 2. Законтурная крепь

работы способствует перераспределению нагрузки от более нагруженных витков спирали к менее нагруженным;

Устойчивость законтурной крепи в продольном направлении обеспечивается окружающей породой, поэтому имеется возможность отказаться от металлоемких коробчатых профилей проката (спецпро-филей) и перейти на легкие конструкции плоской формы. Расчеты показывают, что выигрыш по материалам составит около 30 % на одну раму.

Заполнение разгрузочных щелей различными быстротвер-деющими растворами создает пространственную конструкцию крепи, ребра жесткости которой располагаясь за контуром выработки, обеспечивают всей конструкции достаточную прочность и жесткость. Благодаря этому имеется возможность снизить толщину возводимой монолитной или железобетонной крепи и соответственно расход материалов, не снижая ее прочности.

Использование разгрузочных щелей значительно расширяет область применения рамных крепей, так как появляется возможность ее установки в крутонаклонных и вертикальных выработках, где до настоящего времени они практически не используются.

5. Новое научно-методическое обеспечение.

Геодинамика подземных аппаратов - наука, изучающая силы, возникающие на поверхности твердого тела (подземного аппарата) движущегося в твердой среде (геосреде).

Решение задач проектирования нового вида горнопроходческой техники - геоходов требует создания и нового научного направления в механике горных пород (геомеханика) - геодинамики подземных аппаратов.

Для разработки методик расчета силовых и конструктивных параметров геоходов необходимо проведение большого объема исследований по изучению сил, возникающих на поверхности геохода и его элементов при движении в геосреде.

Задачами, связанных с определением сил, возникающих на поверхности движущегося в воздушной и жидкой среде твердого тела, занимаются такие науки, как аэродинамика летательных и гидродинамика подводных аппаратов. Но, в отличие от воздуха и воды, геосреда по диапазону изменения физико-механических свойств гораздо более многообразна и многогранна в своих проявлениях. Поэтому для решения подобного типа задач применительно к освоению подземного пространства назрела необходимость создания нового научного направления - геодинамика подземных аппаратов.

Решениями задач геодинамики подземных аппаратов должны заниматься институты РАН

6. Состояние дел.

Выполнено:

• Проведены заводские, предварительные и промышленные испытания геоход ЭЛАНГ-3.

• Проведены заводские испытания геохода ЭЛАНГ-4.

• Разработаны новые технические и компоновочные решения по конструкции геоходов.

• Разработаны принципиально новые технические решения по конструкции постоянной крепи горных выработок.

• Разработаны элементы математической модели взаимодействия геохода с геосредой.

• Разработаны положения методики расчета силовых и прочностных параметров геохода (винтоповоротного агрегата).

• Опубликовано 5 монографий и более 170 статей.

• Получены Патентная грамота США № 5,072.992 и положительные решения на выдачу патента в Германии, Японии, КНР и др., около 20 авторских свидетельств СССР патентов РФ.

Испытания первых экспериментальных образцов геоходов ЭЛАНГ-3 ЭЛАНГ-4, доказали принципиальную работоспособность и перспективность проходческих агрегатов, перемещающихся на забой с использованием окружающей геосреды.

Создан научный и практический задел в области разработки новой технологии, получившей название геовинчестерной технологии проведения горных выработок, и нового вида горнопроходческой техники - геоходов, подтверждена патентная чистота разработанных технических и технологических решений (имеется патент США и положительные решения на выдачу патента в других странах).

Полученные результаты открыли новые направления исследований в области геотехнологии и горного машиностроения (имеются заключения экспертов).

Потенциально широкая область применения новой геотехнологии, заинтересованность в разработках технических руководителей шахт, предприятий транспортного строительства, метро, градостроителей, горноспасателей и военных (имеются заключения экспертов, специалистов), а также отсутствие на данном этапе конкурентоспособных разработок обуславливают необходимость скорейшего развертывания работ в данном направлении.

---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. - 264 с.

2. Аксенов В.В., Ефременков А.Б. Геовинчестерная технология и геоходы -наукоемкий и инновационный подход к освоению недр и формированию подземного пространства // Уголь/ Москва, 2009- №2. С.26-29. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ---------------------------------------

Аксенов В.В. - доктор технических наук, зав. лабораторией угольной геотехники, Герике Б.Л. - доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории угольной геотехники gbl_42@mail.ru.

Костинец И.К. - инженер,

Емельяненко Н.А. - инженер,

Институт угля СО РАН, г. Кемерово.

© М.В. Писаренко, 2011