Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов
ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)
Автореферат диссертации по теме "Научные основы геовинчестерной технологии проведения горных выработок и создания винтоповоротных агрегатов"
Российская Академия наук
Сибирское отделение Институт угля и углехимии
На правах рукописи
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК И СОЗДАНИЯ ВИНТОПОВОРОТНЫХ АГРЕГАТОВ
Специальности: 25.00.22 - Геотехнология (подземная, открытая, строительная); 05.05.06 - Горные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Кемерово - 2004
Работа выполнена в Институте угля и углехимии СО РАН
Научный консультант:
Заслуженный деятель науки РФ доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор
Горбунов Валерий Федорович
Зайденварг Валерий Евгеньевич Маметьев Леонид Евгеньевич Калинин Степан Илларионович
Ведущая организация: Национальный научный центр горного производства - Институт горного дела им. АА.Скочинского
Зашита состоится 16 ноября 2004 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 003.036.01 при Институте угля и углехимии СО РАН по адресу:
650610, г. Кемерово, ГСП, ул. Рукавишникова, 21.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института угля и углехимии СО РАН.
Автореферат разослан 14 октября 2004г
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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
ных 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 01.86.0104516), а также в программу 'Уголь Кузбасса" СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№ госрегистрации 81081327).
Целью работы является научное обоснование принципа геовинчестерной технологии проведения горных выработок - движение в массиве вме-шающих 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 отличительныхсвязей, возникающихвразличныхрежимах функционирования винтоповоротного агрегата, представляет собой главную часть научного обоснования технологическихи техническихрешений.
Задачи исследований:
1. Обосновать принцип, разработать структуру геовинчестерной технологии проведения горных выработок и сформулировать функциональные и конструктивные требования к базовому элементу - винтоповоротным проходческим агрегатам. (25.0022)
2. Разработать модель активного взаимодействия агрегата с вмещающими породами и на ее основе определить основные технические решения по компоновке и конструкции важнейших механизмов. (05.05.06.)
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. (05.05.06.)
4. Выбрать типичные важнейшие области применения геовинчестерной технологии, для которых спроектировать, изготовить опытные образцы вин-топоворотных проходческих агрегатов и провести экспериментальную проверку их пригодности и работоспособности при проведении горных выработок. (25.00.22)/(05.05.06.)
5. Разработать новые технические решения по эффективным способам крепления горных выработок с использованием особенностей обработки приконтурной части массива агрегатами. (25.00.22) / (05.05.06.)
6. Разработать варианты и схемы использования геовинчестерной технологии для проведения горных выработок различного назначения и пространственного расположения. (25.00.22)
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. (25.oo.22)
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.
(05.05.06.)
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. (05.05.06.)
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. (25.oo.22) /(05.05.06.)
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. (25.oo.22)
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. (25.oo.22)
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 технологии -образцов 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 выработки; (25.оо22)
- впервые разработаны элементы геовинчестерной технологии, реализующей взаимодействие с приконтурной частью массива, что позволяет совместить во времени основные операции проходческого цикла; (2S.oo.22)
- получены оригинальные технические решения в части структуры и компоновки нового вида проходческой техники — винтоповоротного агрегата, являющегося базовым элементом геовинчестерной технологии; (05.05.06.)
- 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; (05.05.06.)
- разработаны оригинальные конструкции постоянной крепи горных выработок, эффективно использующие специфический профиль контура; силш)
- предложены новые схемы проведения горизонтальных, наклонных, восстающих и вертикальных горных выработок, а также варианты возведения подземных сооружений различного назначения и расположения в пространстве. (25.00.22)
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; (25.oo.22)
- 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; (25.00.22)/(05.05.06.)
- разработке технологических схем и вариантов использования геовинчестерной технологии при проведении горных выработок различного назначения и расположения в пространстве. (25.00.22)
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 винтопово-ротных 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 3,0м и 4,0м.
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.), VIII, X Всесоюзных семинарах по исследованию горного давления и охраны капитальных и подготовительных выработок (г. Якутске, 1982г. и г. Кемерово, 1986г.), 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» (1981 -1986гг.), 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.
Автор искренне признателен и выражает глубокую благодарность за научно-методические консультации и содействие в выполнении исследований доктору технических наук, профессору В.Ю.Изаксону, кандидатам технических наук А.Ф.Эллеру, В.Д.Нагорному, Н.Б.Пушкиной. Особую благодарность за поддержку работы автор выражает доктору технических наук, профессору В.ВЛерпшну.
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОДЕРЖАНИЯ РАБОТЫ
В первой главе дается краткий анализ существующих технологий сооружения горных выработок, типов проходческой техники и постоянной крепи горных выработок, обосновывается идея геовинчестерной технологии проведения горных выработок и формулируется цель работы и решаемые в ней задачи.
Во второй главе определяются требования для создания нового вида горнопроходческой техники, описываются варианты конструктивных схем базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок - винтоповоротных проходческих агрегатов.
В третьей главе рассмотрено взаимодействие винтоповоротного проходческого агрегата с вмещающими породами и разработана методика определения его силовых параметров.
В четвертой главе рассмотрено влияние основных факторов на силовые параметры базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок.
В пятой главе рассмотрено построение линий влияния внутренних усилий для расчета несущих элементов при рабочих режимах и разработана методика определения конструктивных параметров винтоповоротных проходческих агрегатов.
В шестой и седьмой главах представлена разработка и экспериментальная проверка вариантов исполнения базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок.
В восьмой главе представлены перспективные разработки основных элементов геовинчестерной технологии проведения горных выработок.
В девятой главе рассмотрены вопросы создания постоянной крепи горных выработок, приспособленной для установки в технологические каналы за контуром проводимой выработки при геовинчестерной технологии.
В десятой главе разработана методика определения эксплуатационно-технических параметров винтоповоротных проходческих агрегатов.
В одиннадцатой главе представлены технологические схемы проведения горных выработок различного назначения и расположения в подземном пространстве.
В приложениях 1, 2, 3,.... приводятся: матрицы влияния внутренних усилий, позволяющие производить расчет кольцевых несущих элементов корпуса винтоповоротного проходческого агрегата; протоколы и акты испытаний базового элемента геовинчестерной технологии проведения горных выработок; протоколы технических совещаний; заключения экспертов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
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.
В Лаборатории проходческих комплексов ИУ СО АН СССР проходка горных выработок определена как процесс движения горнопроходческого оборудования в среде вмещающих пород. В результате предложено использовать приконтурный массив пород в качестве опорного элемента для восприятия силовых нагрузок, возникающих при движении твердого тела в геосреде, т.е. при выполнении основных технологических операций по проведению горных выработок: разрушения породы, перемещения проходческой системы и крепления призабойной зоны. Введено понятие геовинчестерной технологии (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. Вовлечение приконтурного массива горных пород достигается введением дополнительной технологической операции - формирования системы законтурных каналов.
На рис. 1 представлена структура ГВТ, ее основные элементы, их назначение и выполняемые технологические функции.
Невозможность использования в чистом виде или адаптирования к данной технологии ни одного из известных типов горнопроходческих машин и комплексов определяет необходимость разработки для геовинчестерной технологии специального горнопроходческого оборудования.
К специально создаваемому для работы по ГВТ новому виду горнопроходческой техники были выработаны основные технологические и технические требования:
ГЕОВИНЧЕСТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (ГВТ) ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ВИНТОДОВОРОТНЫЙ ПРОХОДЧЕСКИЙ АГРЕГАТ ГЕОСРЕДА КРЕПЬ
РАЗРУШЕНИЕ ЗАБОЯ СОЗДАНИЕ НАПОРНОГО УСИЛИЯ НА НО ОБЕСНЕЧЕНИЕ ПРОДОЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РАМНАЯ КРЕПЬ
ФОРМИРОВАНИЕ КАНАЛОВ ЗА КОНТУРОМ ВЫРАБОТКИ ПОГРУЗКА ПОРОДЫ СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ 2 * ФОРМИРОВАНИЕ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ 1А КОНТУРОМ ВЫРАБОТКИ МОНОЛИТНАЯ БЕТОННАЯ КРЕПЬ
ВРЕМЕННОЕ КРЕПЛЕНИЕ ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЫ СОГЛАСОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ 1 § ФОРМИРОВАНИЕ РЕБЕР ЖЕСТКОСТИ ЗА КОНТУРОМ ВЫРАБОТКИ СБОРНАЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННАЯ КРЕПЬ
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ АГРЕГАТА НА ЗАБОЙ СОЗДАНИЕ УСИЛИЯ ТЯГИ УДЕРЖАНИЕ В ПРОСТРАНСТВЕ 1 НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Рис. 1. Структура геовинчестерной технологии проведения горных выработок
Рис. 2. Основные элементы геовинчестерной технологии проведения горных выработок: 1- винтоповоротаый проходческий агрегат; 2 - постоянная крепь; 3 - приконтурный массив пород.
- корпус проходческой машины должен иметь внешний движитель, активно взаимодействующий с геосредой для создания требуемых тяговых и напорных усилий;
- оборудование должно обеспечивать выполнение всех операций проходческого цикла с возможностью их полного совмещения во времени;
- проходческая машина должно иметь возможность перемещаться в любом направлении подземного пространства и менять направление своего движения по трассе выработки;
- перемещение проходческой машины не должно быть связано с необходимостью возведения мощной постоянной крепи;
- перекрытие призабойной зоны для недопущения отслоения пород кровли, бортов и груди забоя должно быть обеспечено одновременно с перемещением проходческой машины;
- все функциональные исполнительные механизмы проходческой системы должны быть смонтированы на одной конструктивной базе;
- металлоемкость конструкции при достаточной прочности должна быть снижена в 1,5 раза по сравнению с проходческими щитами традиционного исполнения;
- величина передаваемых на исполнительный орган напорных усилий должна соответствовать усилиям, необходимым для разрушения породы, в которой перемещается проходческая машина и не требовать пропорционального увеличения массы горнопроходческого оборудования.
Требования по производительности, энерговооруженности, надежности, ремонтопригодности и специальные требования к отдельным механизмам и системам на данном этапе создания новой техники не предъявлялись.
Идеалам компоновки любой проходческой системы выступает подземный агрегат, у которого важнейшие функциональные органы, выполняющие технологические операции, совмещены на одной конструктивной основе, а выработка образуется в результате их единовременного действия.
Авторским коллективом [2,3] на основании функционально-структурной теории создания горнопроходческих систем были разработаны ряд конструктивных схем винтоповоротного проходческого агрегата (ВПА), отличительной особенностью работы которого является вращательно-поступательное перемещение на забой по принципу ввинчивания. ВПА представляет собой принципиально новый вид горнопроходческой техники, аналогов конструкции в мировой практике нет.
2. Использование приконтурной части массива горных пород в качестве базового (замыкающего) звена создает взаимную обусловленность режимных, силовыгх 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.
При ввинчивании в массив (Рис. 2) одновременно в жесткой взаимосвязи с подвиганием забоя осуществляется: разрушение забоя исполнительным ор-
ганом; формирование винтовых и продольных каналов за контуром проводимой выработки; погрузка отбитой горной массы; непосредственно перемещение щитового корпуса агрегата на забой и перекрытие призабойной зоны.
На рис. 3. представлен один из примеров конструкции винтоповоротно-го проходческого агрегата ЭЛАНГ-4 (аббревиатура авторского коллектива -Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д., Горбунов В.Ф. Это наименование утверждено Госкомизобретений). Конструкция ВПА ЭЛАНГ-4 (цифра «4» отражает условный диаметр щита в метрах) представляет собой цилиндрическую оболочку, состоящую из режущего модуля 1, винтовой 2 и хвостовой 3 секций. Режущий модуль 1, оснащенный радиальными геликоидными ножами, жестко крепится к винтовой секции 2. На винтовой секции 2 по ее внешней поверхности монтируется винтовая лопасть 6. Внутри винтовой секции размещается роторный погрузчик 7. Винтовая 2 и хвостовая (опорная) 3 секции кинематически сопрягаются между собой посредством механизма вращения 11. В качестве механизма вращения использованы спаренные гидроцилиндры 13, располагающиеся по хордам окружности.
Рис. 3. Конструктивная схема двухсекционного винтоповоротного проходческого агрегата ЭЛАНГ-4 (соответствует рис. 2.7 диссертации)
На внешней поверхности концевой секции монтируется шесть продольных опорных элементов 19. Внутри этой секции размещается пульт управления 20. Разводка потоков рабочей жидкости до потребителей от пульта управления 20 обеспечивается высоконапорными рукавами.
Работа происходит следующим образом. После монтажа ЭЛАНГа в выработке к пульту управления подсоединяются высоконапорные рукава от на-
сосной станции. На пульте управления 20 включается поступление рабочей жидкости в гидродомкраты 13. При выдвижении их штоков во вращение приходит винтовая секция 2, а хвостовая секция 3 удерживается от проворота стрингерами 19.
Винтовая лопасть 6 трансформирует вращательное движение секции 2 в винтовое перемещение. С винтовой секцией 2 жестко скреплена режущая секция 1. В результате'ножи 5 при своем круговом движении срезают стружку (разрабатывают забой).
Порода, отделенная исполнительным органом режущей секции, осыпается в нижнюю часть винтовой секции. Для ее уборки внутри агрегата помещается откаточная емкость (вагонетка, скип, конвейер), не показанная на рис. 2. Работа роторного погрузчика может происходить как одновременно с разработкой забоя, так и при неподвижном агрегате.
Предложенные конструктивные схемы отличаются оригинальностью (получен ряд авторских свидетельств на изобретение и патент США) и представляют новый класс горнопроходческих машин, который имеет следующие отличительные особенности:
-интеграция основных рабочих органов на щитовой механизированной проходческой крепи с внешним винтовым движителем;
-наличие новых конструктивных элементов и механизмов; -ввинчивание в массив с образованием полости; -безразгрузочная подача на забой;
-образование винтовых и продольных каналов в массиве пород за контуром проводимой выработки.
Характер взаимодействия винтоповоротного агрегата с окружающей породой неоднозначен/И зависит от большого числа факторов: геометрических (конструктивных) параметров и его внешней формы, физико-механических характеристик и строения массива, начального поля напряжений и др.
Все известные конструктивные варианты ВПА ЭЛАНГ можно свести к нескольким расчетным схемам, одна из которых приведена на рис. 4.
На схеме обозначены: Р„, - проекпци силы резания соответственно на ось
вращения и на плоскость, перпендикулярную оси вращения; Тт - сила трения исполнительного органа по вмещающей породе; Сг, Сп, йх - соответственно вес головной, промежуточной и хвостовой секций; Сга- вес отбитой горной массы; Р^нл ^пж Рхи - нормальные составляющие нагрузки от горного давления, действующие на секции; /?ша> > Лпиа» ^хнм - реакция окружающей породы на винтовую лопасть секций; Тщъ Гпоб» Тдаб - суммарные силы трения секций по породе; - силы трения винтовой лопасти секций по породе; Л^пя - сила нормального давления перекатной платформы на промежуточную секцию; /?пл -скатывающая сила перекатной платформы; Гщщ - трение в колесной паре, расположенной на промежуточной секции; - суммарное усилие, создаваемое гидродомкратами для перемещения секции.
Для определения необходимых усилий перемещения секций агрегата ( Ртп, Рт, Рад) и реакции породы на винтовую лопасть этих же секций (/?„,ш , для каждой секции составлено два уравнения равновесия.
Рис. 4. Расчетная схема к определению силовых параметров трех секционного В ПА ЭЛАНГ-З
Например, для головной секции
Вт^ГгЪ - ^«¡пЯгг ■ОТтрН*«™! "[«г +х)~Мио ' (1) -Тгов°°$Р-гг-Мгн со$а-«Тиосо5ел=0
где ^ - угол между линией действия домкратов перемещения головной секции и плоскостью вращения; @ - угол подъема винтовой лопасти; ^ -угол трения между породой и сталью; вя - средний угол между плоскостью перекрытия исполнительного органа и плоскостью вращения; Гп - расстояние между линией действия домкратов перемещения головной секции и осью вращения; Гг - внешний радиус головной секции; - высота винтовой лопасти на головной секции; Л/щ - момент, необходимый для поднятия разрушенной породы; Мтиа - момент трения исполнительного органа по породе; А/,» - момент сопротивления резанию.
Интеграция основных рабочих органов на щитовой механизированной крепи и совмещение функций порождает значительное число дополнительных связей, что затрудняет выбор параметров, но исключает произвол и нечеткость технологических и технических решений.
3. Адекватность квазистатической расчетной модели, положенной в основу методики определения силовыгх и прочностных параметров, обеспечивается самим принципом работы! винтоповоротного проходче-
ского агрегата и детерминированностью связей между функциональными характеристиками. Неопределенность и недостаточность информации о внешней среде частично удается компенсировать условиями замкнутости системы.
У исполнительного органа ВПА ЭЛАНГ-3 имеется существенное отличие от ножевых органов землеройных машин, обусловленное способом перемещения агрегата, в результате которого поверхность резания имеет вид винтовой поверхности. Точки радиального ножа (рис.5) при заданном шаге винтовой лопасти А„ перемещаются на забой под углом к плоскости, перпендикулярной оси вращения агрегата /?х = аг^кд / 2та. (2)
Сила блокированного резания грунта простым острым ножом равна Ра = утсвк в+2/Ибо, Л2 +2/иб0«.ср А, (3)
где уШоЛ - силы преодоления лобовых сопротивлений ножу, на рис. 5. обозначено Ра ! ТпЦщ А2 - силы разрушения грунта в боковых расширениях прорези (Рбокср РИС. 6); 2/Пбоиср - силы бокового среза (Р&жср РИС. 6); у/ - коэффициент, учитывающий влияние угла резания; тид - удельная сила резания в лобовой части прорези при угле резания 45°; к - толщина среза; в - ширина ножа; тщ* - коэффициент, характеризующий силу разрушения грунта в боковых частях прорези; - коэффициент, характеризующий силу среза од-
ним из боковых ребер ножа.
где - проекции составляющий силы сопротивления грунта резанию, соответст-
венно зависящей и не зависящей от ширины среза в, на ось вращения агрегата; Мт са + М,« {о, - моменты от составляющих силы сопротивления грунта резанию, соответственно зависящей и не зависящей от ширины среза в; л - количество радиальных ножей на исполнительном органе.
Проекция составляющей силы сопротивления грунта резанию, зависящей от ширины среза, на ось вращения, а также момент сопротивления резанию для острых ножей равны [2,3]:
*¥т А2
СБ В
2хп
1п
К
-—-А——сгг(5+е )
(5)
и
Ут Л3 св в
4я2п
1т 2
^2 *2
С05 Р. СО&Р,
2&т2Р1 2
1
Ш 8Ш
.(6)
Проекция составляющей силы сопротивления грунта резанию, не зависящей от ширины среза, на ось вращения, а также момент сопротивления резанию равны [2,3]:
.Л
о.бок'
"„0.60К=7
' Лв
тбок1Г+т6ок.ср
«»($+<Ргр + Р1)++ Р2)
--1- /Я-
бок „ бок.ср
г--г—--+г -—3--
г 8Ш(5+?>>1^) О 8ш(д+9 )
(7)
.(8)
тр тр
В общем случае величина сил трения, создающих сопротивление движению тела, зависит от коэффициента трения и сил нормального давления. Тогда для определения сил трения наружной поверхности корпуса щита по вмещающим породам можно записать:
гоб=Ар
П/?./(/> + Ссова 1.0 "
(9)
где /,р - коэффициент трения наружной поверхности корпуса щита по породе; ДР,,) - некоторая функция изменения величины радиальных составляющих горного давления; С -вес перемещаемой частя щитовой крепи.
Решение задачи взаимодействия крепи с массивом пород с учетом влияния забоя вызывает серьезные трудности. Для приближенного учета влияния забоя Г.А.Крупенниковым предложена аппроксимация смещений поверхности выработки в зависимости от расстояния I до забоя:
~a.UR. и1=Щ1-е 1 »)
(Ю)
где I/ - смещения протяженной части горной выработки на значительном удалении от забоя; 01 - постоянный эмпирический коэффициент; ( - расстояние до забоя; - радиус выработки.
Согласно нормативным рекомендациям нагрузки определяются от веса пород в своде обрушения с высотой Ас
Рн=Ку Л , (И)
в р'пор с ' 4 '
где Р", - нормативная вертикальная нагрузка; Ас - высота свода обрушения; Кр - коэффициент условий работы породного массива; 'Цюр - удельный вес пород. В расчетную нагрузку на сооружения
Р^пКъШъР1, (12)
вводятся поправки на перегрузку (п), назначение выработки (К„) и на влияние способа проходки выработки (т
Полученную расчетную нагрузку, действующую на секции щитовой вращающейся крепи, необходимо разложить на радиальные и тангенциальные составляющие.
Анализ эпюр нагрузок от горного давления, построенных на основании опытных данных, выполненный Ю.И.Бурчаковым, показал, что во многих случаях с достаточной степенью точности может быть принят закон изменения радиальных и тангенциальных нагрузок
Р = Р0 + Расозп в; <7 = <7пзмп в, (13)
ограниченный вариантами параметра и = 1,2,3.
В общем случае для суммарной силы трения (для всей щитовой вращающейся крепи) можно записать:
I Л
г«=2М/ к,г (—+—с<хпв\е
"Я ' ' ' тр 1 в1 2 Г
О О
1-е 1
Ш + / С сое а, (14) Г 'тр
Проинтегрировав выражение (17) по <1 в и ¿1, получим, например, для головной секции
* "1*7
гоб 'тр
-+(С +С ) С05 о
4 г га'
. (15)
Полученные аналитические выражения и уравнения являются математической моделью взаимодействия корпуса ВПА с окружающими породами. Разработанная на основе математической модели методика расчета силовых параметров ВПА учитывает винтовой характер перемещения секций агрегата, геликоидную форму радиальных ножей исполнительного органа, расположение гидродомкратов перемещения по хордам окружности на взаимосо-прягаемых секциях, наличие винтовой лопасти на внешней поверхности оболочки секций агрегата, а также влияние забоя на величину сил горного давления.
Методика позволяет определять: реакцию забоя на органы разрушения (для исполнительного органа, оснащенного радиальными геликоидными ножами); величину сил трения, возникающих между цилиндрической оболочкой секций и вмещающей породой; значения необходимых усилий перемещения секций агрегата; величину усилий, возникающих в межвитковом целике; ряд вспомогательных параметров.
Установлено влияние основных факторов (габаритных размеров ВПА, угла наклона проводимой выработки, угла подъема монтируемой на агрегате винтовой лопасти, а также наличия или отсутствия винтовой лопасти) на силовые параметры ВПА.
4. Особенности строения винтоповоротного проходческого агрегата и его нагружения при рабочих режимах и маневрах строго и однозначно отображаются в форме матриц влияния внутренних усилий (поперечный, продольный сил и изгибающих моментов). Тем самым методика расчета кольцевых несущих элементов корпуса является оптимальной по выбору функциональный характеристик.
Базовыми конструктивными элементами, воспринимающими силовую нагрузку, являются: винтовая лопасть, смонтированная на внешней поверхности головной секции; шпангоуты, расположенные на внутренней поверхности головной и хвостовой секций агрегата; обечайка (щитовая оболочка) секций; стрингеры, расположенные на внешней поверхности хвостовой секции; брус крепления радиального ножа или вала барабанного исполнительного органа.
Одной из основных нагрузок, действующих на корпус агрегата, является нагрузка от сил горного давления. Радиальные и тангенциальные составляющие сил горного давления являются по своему виду распределенными нагрузками, которые в расчетах заменяются системой сосредоточенных сил.
Величина радиальной Р и тангенциальной Т нагрузок от сил горного давления зависит от расстояния до забоя и, кроме того, неравномерно распределена в^оль контура поперечного сечения корпуса агрегата:
где (¡, в!«.] - соответственно координаты точек по оси агрегата и угловые коорди-
наты точек, между которыми осуществляется сбор распределенной по контуру поперечного сечения корпуса агрегата нагрузки.
Нагрузка от горного давления является подвижной нагрузкой, поэтому определение внутренних усилий в несущих элементах корпуса агрегата проведено по методу линий влияния, для чего вначале кольцевые несущие элементы корпуса агрегата (далее крепь) рассматриваются под действием двух подвижных самоуравновешенных радиальных сил Р = 1, положение которых на сооружении определяется в общем виде текущей координатой <р (рис. 7, а), а затем под действием самоуравновешенных тангенциальных нагрузок (рис. 7, б).
Задача сводится к построению линий влияния внутренних усилий от действия единичных радиальных и тангенциальных сил.
Порядок определения внутренних усилий по методу линий влияния применительно к кольцевым статически определимым конструкциям выглядит следующим образом:
а
6
А
Рис. 7. Схема к расчету кольцевых несущих элементов корпуса агрегата (крепи) по методу линий влияния:
а — при радиальной на
Г*1 грузке;б — при тангенциальной нагрузке.
1. Выбирается расчетная схема.
2. Строятся линии влияния усилий в шарнирах от действия подвижных единичных самоуравновешенных радиальных и тангенциальных нагрузок.
3. Строятся линии влияния поперечных сил продольных сил N и изгибающих моментов М в исследуемых сечениях от действия единичных подвижных радиальных и тангенциальных нагрузок.
4. Составляются матрицы влияния поперечных сил, продольных сил и изгибающих моментов.
5. Составляются матрицы внешних сил.
6. По полученным матрицам влияния и матрицам внешних сил определяются внутренние усилия в исследуемых сечениях. Производится алгебраическое сложение внутренних усилий от радиальных и тангенциальных нагрузок.
7. Осуществляется "сдвиг" в столбцах матриц внешних сил на принятый
шаг.
8. Повторяются пункты 6 и 7 до тех пор, пока положение элементов в матрице внешних сил не примет первоначальное положение.
9. Выбираются наибольшие усилия и опасные сечения в несущих элементах вращающейся крепи.
Получен комплект матриц влияния внутренних усилий (поперечных сил, продольных сил и изгибающих моментов), позволяющий производить прочностной расчет несущих элементов винтоповоротных проходческих агрегатов от действия подвижной нагрузки.
Применение, разработанного на основе метода линий влияния, инженерного метода определения внутренних усилий в несущих элементах корпуса ВПА от действия подвижных нагрузок позволяет:
- учесть специфику работы такого типа крепей, заключающуюся в постоянном изменении взаимного положения внешней нагрузки и секций крепи;
- оперативно определять величину внутренних усилий в несущих элементах кольцевой вращающейся крепи при различных комбинациях внешней нагрузки;
- определять влияние силовых факторов на прочностные характеристики несущих элементов конструкции (крепи);
- оперативно выбирать рациональное расположение силового оборудования на несущих элементах крепи.
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.
На основании разработанной методики расчета силовых параметров ВПА получены величины необходимых усилий перемещения секций экспериментальных образцов ВПА диаметром 3 м и 4 м., а также напряжений, возникающих в межвитковом целике,
На основе разработанных матриц влияния внутренних усилий и величин внешних нагрузок проведен расчет несущих элементов корпуса экспериментальных образцов винтоповоротного проходческого агрегата ЭЛАНГ-3 (диаметром 3 м) и ЭЛАНГ-4 (диаметром 3,7 м).
Полученные расчетные значения позволили:
- установить на экспериментальных образцах гидродомкраты перемещения, суммарное развиваемое усилие которых в 5 раз меньше, чем у аналогичных по габаритам проходческих щитов традиционного исполнения;
- снизить металлоемкость конструкции экспериментальных образцов по сравнению с проходческими щитами традиционного исполнения в 3 раза.
Интеграция в единой конструкции важнейших органов винтоповоротного агрегата существенно снижает его вес и общий объем. Для получения сравнительных количественных показателей " были обобщены данные всех горнопроходческих машин одного функционального назначения.
Информативным показателем качества горнопроходческих машин и агрегатов является забойная плотность проходческого оборудования, приходящегося на 1 м3 призабойного пространства.
Одним из определяющих факторов при выборе оборудования для проходки горных выработок в сложных горно-геологических условиях (плывунных, сыпучих и слабых неустойчивых породах) является величина удельного давления на почву выработки.
У винтоповоротных агрегатов эти показатели наименьшие (рис. 8.). Разница составляет двух-, трехкратную величину для механизированных щитов и двукратную - для немеханизированных.
Рис. 8. Сравнительные характеристики проходческих систем
Испытания экспериментальных образцов ВПА ЭЛАНГ-3 (рис. 9.), изготовленного совместно с работниками ш. «Карагайлинская» ПО «Киселевск-уголь», и ВПА ЭЛАНГ-4 (рис. 10.), изготовленного совместно с НПО «Сиб-гипрогормаш» (г.Новосибирск) и АП ЭЛСИБ (г.Новосибирск), доказали принципиальную работоспособность и перспективность проходческих агрегатов, перемещающихся на забой без упора в ранее установленную постоянную крепь. Винтовой способ перемещения, примененный у проходческих агрегатов данного типа, обеспечивает практически полную совмещенность выполнения основных операций проходческого цикла.
Выявлена достаточность используемых для перемещения секций агрегата усилий, величина которых не превышала расчетных значений, определенных на основе разработанной математической модели.
Подтверждена достаточная прочность облегченных несущих элементов секций крепи вращающегося агрегата, проверка прочности которых была произведена при помощи комплекта матриц влияния внутренних усилий.
Рис. 9. Экспериментальный образец винтоповоротного проходческого агрегата ЭЛАНГ-3
Рис. 10. Экспериментальный образец винтоповоротного проходческого агрегата ЭЛАНГ-4
Отличительные признаки ВПА: наличие на внешней поверхности корпуса винтоповоротного проходческого агрегата винтовой лопасти, стрингеров (элементов противовращения) и расположение гидродомкратов перемещения по хордам окружности на шпангоутах взаимосопрягаемых секций обуславливают отличительный от всех известных горнопроходческих систем характер взаимодействия корпуса агрегата с окружающими породами.
Винтовая лопасть и стрингеры, взаимодействуя с горной породой в винтовых и продольных каналах за контуром проводимой выработки, «вовлекают» окружающую геосреду в процесс работы винтоповоротного проходческого агрегата:
- усилия от действия гидродомкратов перемещения через винтовую лопасть и стрингеры перераспределяются на окружающую геосреду;
- при взаимодействии винтовой лопасти с геосредой создаётся усилие, перемещающее корпус агрегата на забой при любом его расположении в пространстве (рис.4);
- корпус агрегата удерживается в заданном положении винтовой лопастью, располагающейся в винтовых каналах за контуром выработки.
Проведенные испытания экспериментального образца ВПА ЭЛАНГ-3 подтвердили возможность ВПА проходить наклонные выработки без применения дополнительных удерживающих приспособлений и устройств.
Величины напорного усилия и вращательного момента, реализуемых на исполнительном органе ВПА, в отличие от всех горнопроходческих систем, определяются не только суммарными усилиями, создаваемыми гидродомкратами перемещения, но и прочностью пород в межвитковом целике за контуром проводимой выработки. Причем, чем нрочнее окружающая порода, тем большие напорные усилия и вращательные моменты могут быть реализованы на исполнительном органе винтоповоротного проходческого агрегата.
Конструктивная схема ВПА ЭЛАНГ со сменными породоразрушающи-ми модулями в сочетании с различными вариантами конструкции постоянной крепи горных выработок и способами удаления отделенной горной массы обеспечивает многообразие технологических схем проведения выработок, что подтверждается полученными авторскими свидетельствами.
В работе рассмотрены технологические аспекты проведения горизонтальных (рис. 11.), наклонных (рис. 12.) и восстающих горных выработок, а также возведения подземных сооружений (подземные переходы, коллекторы и др.) в стесненных городских условиях (рис. 13.).
В общем случае сооружение подземных горных выработок агрегатами ЭЛАНГ включает следующие основные технологические операции:
- подготовительные работы;
- разработку забоя (собственно образование полости и ее временное закрепление);
- возведение постоянной крепи.
ВПАЭЛАНГ:
1 - ВПА ЭЛАНГ; 2 - перегружатель; 3 -скребковый конвейер; 4 - винтовая крепь; 5 -ленточный конвейер.
Рис. 12. Технологическая схема проведения бремсберга ВПА:
1-ВПА ЭЛАНГ;
2-крепь;
3- вентиляционная труба;
4-ходок;
5 - грузовой отсек.
Рис. 13. Технологическая схема сооружения подземной выработки
под автомагистралями: 1 - автомагистраль; 2 - ВПА ЭЛАНГ: 3 - скрепер; 4 - лебедка скреперная; 5 - анкер; б - стартовый котлован; 7 - приемный котлован; 8 - крепь; 9 - обводной блок.
Подготовительные работы
До начала проведения выработки необходимо осуществить ряд подготовительных работ: сооружение монтажно-стартовой камеры; оборудование стартовой установки, сборку и опробование агрегата.
Разработка забоя
При проведении выработок ВПА ЭЛАНГ в зависимости от свойств разрушаемых пород осуществляется ножевым режущим модулем - в мягких глинистых породах, резцовым и барабанным породоразрушающим модулем -в породах с коэффициентом крепости 1 <f< 4. Разработка забоя производится на полное сечение круглой выработки.
Отбитая порода грузится погрузочным ротором в вагонетки, которые по специальному въездному устройству размещаются в зоне разгрузки роторного погрузчика или перегружатель.
Крепление
Процесс крепления выработки постоянной крепью вынесен из призабой-ной зоны и осуществляется со стороны хвостовой секции. При этом работы по монтажу постоянной крепи могут в одном случае выполняться при нахождении горнорабочих (крепильщиков) внутри хвостовой секции, а рама устанавливается перед ее торцом. Другой способ сводится к установке кольцевой крепи непосредственно во внутреннем пространстве хвостовой секции, которая по мере подвигания забоя выходит из хвостовой секции
При проведении горных выработок по геовинчестерной технологии все операции проходческого цикла выполняются в совмещенном режиме. Исполнительные механизмы для разрушения породы, погрузки горной массы и крепления монтируются на базовом элементе геовинчестерной технологии -винтоповоротном проходческом агрегате ЭЛАНГ, поэтому скорость проведения выработки при геовинчестерной технологии определяется производительностью винтоповоротного проходческого агрегата.
Получены зависимости для расчета минутной теоретической производительности ВПА ЭЛАНГ:
с прерывистым вращением
где Н„ - ход гидроцилиндра, м; лн - количество ножей ИО; Ъ - толщина стружки одного ножа, м; пи - количество цилиндров поворота головной секции, шт.; Рг - площади со-
жениях, с; ¡2нс - расход насосной станции, м3/с; - удельное потребление насосной станции, л/об.; Щ - объемный КПД гидромотора; г - передаточное отношение вращающейся пары.
В процессе работы винтоповоротного проходческого агрегата шаг к винтовой лопасти, ее высота Ал и толщина срезаемой стружки Ъ остаются неизменными. В конкретных условиях эксплуатации неизменна и величина
ответственно поршня и штока цилиндров, м2; - время реверсирования в крайних поло-
диаметра агрегата Б. Изменяемыми параметрами, оказывающими влияние на величину теоретической производительности винтоповоротного агрегата, являются скорость поворота секций вокруг продольной оси или поступательная скорость перемещения агрегата. Эти скорости в значительной мере зависят от суммарной площади гидроцилиндров механизма поворота секций относительно друг друга и расхода насосной станции
6. Винтовые и продольные каналы, остающиеся за контуром выработки, придают высокую эффективность 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.
При проведении выработок по геовинчестерной технологии возможно использование традиционных конструкций постоянных крепей горных выработок: кольцевых рамных из спецпрофиля, монолитного и сборного железобетона, набрызгбетона, анкеров и др. Наличие винтовых каналов за контуром проводимой выработки закладывает потенциальную возможность размещения в них несущих элементов крепи, увеличивая полезную площадь сечения проводимой выработки и снижая ее аэродинамическое сопротивление. Это создает предпосылки для разработки и использования новых облегченных видов крепей.
Разработаны технические решения по конструкции постоянной крепи горных выработок, адаптированной с работой ВПА по геовинчестерной технологии (получены авторские свидетельства на изобретение).
При установке несущих элементов металлической рамной крепи в винтовые каналы (рис. 14) крепь получает вид замкнутой спирали, что в процессе ее 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
5 Рис. 14. Винтовая рамная крепь:
^ ¡-поверхность выработки;
2-винтовые каналы;
3-продольные каналы; ^ 4-несущие элементы;
5-межрамные ограждения.
металлоемких коробчатых профилей проката (спецпрофилей) и перейти на легкие конструкции плоской формы (рис. 15). Расчеты показывают, что выигрыш по материалам при этом составит около 30 % на одну раму.
Рис. 15. Винтовая вантовая крепь:
1-несущие элементы;
2-ванты;
3-межрамные ограждения.
Использование разгрузочных щелей значительно расширяет область применения рамных крепей, так как появляется возможность ее установки в круто наклонных и вертикальных выработках, где до настоящего времени они практически не используются.
Заполнение разгрузочных щелей различными быстротвердеющими растворами создает пространственную конструкцию крепи, ребра жесткости которой располагаясь за контуром выработки, обеспечивая 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.
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 фрагментированной среде, которая имеет место в аварийных ситуациях.
Расположение гидродомкратов перемещения по хордам корпуса обеспечивает формирование вращающегося момента для агрегата, т.е. наиболее рациональное воздействие для контура большого диаметра. Это позволяет осуществить подачу на забой без применения мер по уменьшению распора. Постоянное прижатие к груди забоя обеспечено самой конструкцией и принципом работы. Таким образом, исключается сама возможность расслоения приконтурного массива. Напротив, винтовые образующие создают в сыпучих породах дополнительное уплотнение. При небольшой массе агрегата эти свойства обеспечивают проведение выработок в разрушенных и фрагменти-рованных средах, которые могут иметь место в аварийных ситуациях. Этим обусловлена дополнительная область применения ВПА.
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 техники -винтоповоротных агрегатов, имеющая важное хозяйственное значение
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. (25.oo.22)
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. (05 05 0б.)
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 сумма, формирующая усилие перемещения секций агрегата. (05.05.06.)
4. Технологические возможности ГВТ определяются силовыми параметрами агрегатов, но управляются вариантами конструктивных решений:
- использование гидродомкратов в качестве силовых приводов обеспечивает работу ВПА размером R>0,5M, НО увеличение радиуса агрегата с 1 до 3,5м требует повышения усилия перемещения головной секции в 9 раз;
- направление проходки выработок не создает жестких ограничений; в 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.
(25.00.22)/(05.05.06.)
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 частности -горного давления);
- выявлены закономерности формирования внутренних усилий в элементах 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 срганом ножевого типа для разрушения горных пород с Г < 1 (изготовлен ЦЭММ ПО "Киселевскуголь") и вторая модель с барабанным исполнительным органом для диапазона К4(изготовлен АП ЭЛСИБ, г.Новосибирск). (O5.OS.06.)
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 крепь; достигнут 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.
(05.05.06.)
8. Формируемый контур выработки с системой винтовых и продольных каналов благоприятствует применению ряда моделей постоянной крепи - металлической рамной, монолитной бетонной и сборной железобетонной; разработаны новые технические решения для операции крепления в геовинчестерной 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. (25.OO.22)
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. (25oo22)
10. Определены направления развития геовинчестерной технологии и 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.
(25.00.22)
Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах.
Монографии:
1. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Скоморохов В.М. Аксенов В.В. и др. Основы проектирования буровзрывных проходческих систем. - Новосибирск: Наука, 1985.-185 с.
2. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Эллер А.Ф. и др. Проектирование и расчет проходческих комплексов. - Новосибирск: Наука, 1987. -192 с.
3. Эллер А.Ф., Горбунов В.Ф., Аксенов В.В. Винтоповоротные проходческие агрегаты. - Новосибирск: Наука, 1992. -192 с.
4. Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. - Кемерово: ИУУ СО РАН, 2004. -263 с.
Статьи и доклады:
5. Горбунов В.Ф., Счастливцев Е.Л., Аксенов В.В. Проявление горного давления в призабойной зоне выработки // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1979, С. 73-75.
6. Счастливцев Е.Л., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Моделирование напряженно деформированного состояния в окрестности горной выработки // Механизация ручных работ на рудниках. -Кемерово: КузПИ, 1981,6с.
7. Горбунов В.Ф., Счастливцев Е.Л., Герике Б.Л., Аксенов В.В. Формирование смещений горных пород в призабойной зоне капитальных горных выработок // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1981,5с.
8. Изаксон В.Ю., Аксенов В.В., Эллер А.Ф., Нагорный В.Д. Особенности расчета щитовых вращающихся крепей // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1983, С. 40-45.
9. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Проходческий щитовой комплекс АГОЦВ-3 для проведения горизонтальных и наклонных горных выработок // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства / Тез. докл., Кемерово, 1984,2с.
10. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В. Щитовой вращающийся агрегат // Реферативная карта. ЦНИЭИуголь сер. Строительство предприятий угольной промышленности. Вып. № 10,1984.
11. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Разработка и испытание щитового вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства / Тез. докл., Кемерово, 1985, С. 30-31.
12. Эллер А.Ф., Аксенов В.В. Использование метода линий влияния для расчета щитовых крепей агрегата типа ЭЛАНГ// Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства / Тез. докл., Кемерово, 1985, С. 32.
13. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д., Савельев Ю.П. Разработка и испытание щитового вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ // Шахтное строительство, 1985.- №6.- С.8-11.
14. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В. Разработка и шахтные испытания вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ // Уголь, 1989.- № 2.- С.33-34.
15. Аксенов В.В., Эллер А.Ф. Способ строительства шахты // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства / Тез. докл., Кемерово, 1989,2с.
16. Аксенов В.В., Эллер А.Ф. Определение необходимых, усилий перемещения секций крепи вращающегося проходческого агрегата // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989, С. 123-128.
17. Изаксон В.Ю., Аксенов В.В. Расчет кольцевых несущих элементов крепи вращающихся проходческих агрегатов на подвижную нагрузку // Крепление, поддержание и охрана горных выработок. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989, С. 129-137.
18. Аксенов В.В., Эллер А.Ф. Определение величины трения, возникающего между оболочкой секции крепи вращающегося проходческого агрегата
и вмещающей породой // Горное давление в очистных и подготовительных выработках. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989, С. 118-123.
19. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Амантаев В.Н., Набатников Ю.П. Технология проведения горизонтальных и наклонных подземных выработок агрегатом ЭЛАНГ на ш.Судженская // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства/ Кемерово, 1990,6с.
20. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Ерофеев А.Л., Рапп Ю.Э. Технологические аспекты крепления выработок, проводимых винтоповоротным проходческим агрегатом // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства/ Кемерово, 1990,8с.
21. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Прокопов, Орищенко В.П. Обоснование функционально компоновочной схемы тоннельного варианта проходческого агрегата ЭЛАНГ // Транспортное строительство, 1992. - № 3. - Зс.
22. Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Горбунов В.Ф., Филатов А.А. Винтопово-ротный агрегат для щитовой проходки наклонных выработок на шахтах ассоциации «Ленинскуголь» // Уголь, 1992.- № 9.- С. 10-12.
23. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок агрегатом ЭЛАНГ // Совершенствование техники и технологии шахтного строительства / Кемерово, 1997, С. 118-121.
24. Горбунов В.Ф., Аксенов В.В. О разработке геовинчестерной технологии проведения горных выработок // Механизация горных работ /Кемерово, 1997, С. 12-13.
25. United States Patent (Патент США) 5,072,992. SHIELD UNIT / Valeiy F. Gorbunov, Alexandr F. Eller, Alexandr Y. Tkachenko, Vladimir V. Axenov, Vladimir D. Nagorny. Data of Patent: Dec. 17,1991.
26. A.C. 1008458 СССР. Проходческий щитовой агрегат / В.Ф.Горбунов,
A.Ф.Эллер, В.Д.Нагорный, В.В.Аксенов. Заявлено 05.08.81; Опубл. 30.03.83. Бюл. №12.
27. А.С. 1167338 СССР. Проходческий щитовой агрегат ЭЛАНГ /
B.Ф.Горбунов, А.Ф.Эллер, В.В.Аксенов, В.Д.Нагорный, В.Ю.Изаксон, Ю.П.Савельев. Заявлено 15.02.83; Опубл. 15.07.85. Бюл. № 26.
28. А.С. 1229354 СССР. Проходческий щитовой агрегат / В.ФГорбунов,
A.Ф.Эллер, В.В.Аксенов, В.Д.Нагорный, В.М.Скоморохов. Заявлено 24.04.84; Опубл. 07.05.86. Бюл. № 17.
29. А.С. 1328531 СССР. Проходческий щитовой агрегат / А.Ф.Эллер,
B.В.Аксенов, В.Д.Нагорный, В.ФГорбунов. Заявлено 23.10.85; Опубл. 07.08.87. Бюл. №29.
30. А.С. 1593343 СССР. Способ строительства шахты / В.В.Аксенов, А.Ф.Эллер, А.В.Лебедев. Заявлено 25.01.89; ДСП.
31. А.С. 1639159 СССР. Крепь горных выработок / В.ВАксенов, А.Ф.Эллер, В.Ю.Изаксон, В.Д.Нагорный. Заявлено 25.01.89; ДСП.
32. А.С. 1647144 СССР. Проходческий щитовой агрегат / В.ФГорбунов, А.Ф.Эллер, АЛ.Ткаченко, В.В .Аксенов, В.Д.Нагорный. Заявлено 05.03.86; Опубл. 07.05.91. Бюл. №17. __
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ J БИБЛИОТЕКА | С. Петербург { 09 ММ № I
33. А.С. 1668678 СССР. Проходческий щитовой агрегат / АФ.Эллер, В.Ф.Горбунов, В.В.Аксенов, Н.Б.Пушкина, П.Я.Крауинып. Заявлено 02.08.89; Опубл. 07.08.91. Бюл. № 29.
34. А.С. 1710745 СССР. Способ перемещения выемочного агрегата / АФ.Эллер, В.ВАксенов, В.Д.Нагорный. Заявлено 19.12.89; Опубл. 07.02.92. Бюл. № 5.
35. А.С. 1719642 СССР. Проходческий щитовой агрегат / А.Ф.Эллер, В.ФТорбунов, В.ВАксенов. Заявлено 04.05.87; Опубл. 15.03.92. Бюл. № 10.
36. АС. 1725597 СССР. Способ проходки выработок и устройство для его осуществления / АФ.Эллер, В.В.Аксенов, АВ.Лебедев, Н.Б.Пушкина. Заявлено 24.01.89; ДСП.
37. А.С. 1727441 СССР. Проходческий щитовой агрегат / А.Ф.Эллер, В.ФГорбунов, В.В.Аксенов. Заявлено 22.06.87; ДСП.
Подписано к печати 11.10.2004. Формат 60х841/)6. Объем 2,0 усллеч.л. Тираж 100 экз.Редакционно-издательский отдел ИУУ СО РАН 650610, Кемерово, ГСП-610, ул. Рукавишникова, 21. Тел 210-500
19247
РНБ Русский фонд
200М
16204
Содержание диссертации, доктора технических наук, Аксенов, Владимир Валерьевич
ВВЕДЕНИЕ.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.
1.1. Анализ существующих типов проходческой техники.
1.1.1. Основные конструктивные схемы стружкосрезающих проходческих систем.
1.1.2. Буровзрывные проходческие системы.
1.1.3. Щитовые проходческие системы.
1.2. Классификация крепей горных выработок.
1.3. Классификация существующих технологий сооружения горных выработок.
1.4. Обоснование возможности создания геовинчестерной технологии проведения горных выработок.
1.4.1. Сущность функционального подхода.
1.4.2. Структурная систематизация средств механизации проведения выработок.
1.4.3. Геовинчестерная технология проведения горных выработок. 42 1.5. Выводы, цель и задачи исследования.
2. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВИНТОПОВОРОТНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ.
• 2.1. Конструкция и принцип действия винтоповоротных проходческих агрегатов ЭЛАНГ.
2.2. Сопоставительный анализ винтоповоротных конструкций для образования подземных полостей.
2.3. Синтезированные конструктивные схемы винтоповоротных агрегатов ЭЛАНГ.
2.4. Основные функциональные модули и область применения
ВПА ЭЛАНГ.
2.5. Вы воды.
3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВПА (ГЕОХОДОВ)
С МАССИВОМ ПОРОД.
3.1. Модели среды.
3.2. Нагрузки, схемы расчета и усилия, действующие на корпус агрегата.
3.3. Определение необходимых усилий перемещения секций и реакции окружающей породы на винтовую лопасть у трехсекционного агрегата (ЭЛАНГ-3).
3.4. Реакция забоя на органы разрушения.
3.5. Влияние перекатной платформы и погрузочного устройства на перемещение секций.
3.6. Взаимодействие оболочки секций ВПА с массивом пород.
3.7. Определение необходимых усилий перемещения двухсекционного агрегата (ЭЛАНГ-4).
3.8. Выводы.
4. ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ВПА.
4.1. Влияние габаритных размеров ВПА ЭЛАНГ на его силовые параметры.
4.2. Влияние габаритных размеров ВПА на величину сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и окружающей породой.
4.3. Влияние диаметра ВПА на величину необходимых усилий перемещения его секций и на величину реакции породы на винтовую лопасть.
4.4. Влияние угла наклона проводимой выработки на силовые параметры агрегата.
4.5. Влияние винтовой лопасти на силовые параметры агрегата.
4.6. Влияние угла подъема винтовой лопасти на силовые параметры ВПА.
4.7. Выводы.
5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВИНТОПОВОРОТНЫХ ПРОХОДЧЕСКИХ
АГРЕГАТОВ.
5.1. Определение нагрузки, действующей на силовые элементы.
5.2. Построение линий влияния усилий в шарнирах крепи.
5.3. Построение линий влияния внутренних усилий.
5.4. Определение внутренних усилий в несущих элементах корпуса ВПА при изгибе.
5.5. Определение внутренних усилий в несущих элементах секций винтоповоротного проходческого агрегата при кручении.
5.6. Расчет винтовой лопасти.
5.7. Расчет на прочность стрингеров.-.
5.8. Выводы.
6. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
ВПА "ЭЛАНГ-3" (АПЩВ-3,0).
6.1. Конструкция и принцип работы вращающегося проходческого агрегата АПЩВ-3,0 - ЭЛАНГ-3.
6.1.1. Конструкция агрегата.
6.1.2. Работа агрегата.
6.2. Шахтные испытания агрегата "ЭЛАНГ-3".
6.3. Вывод ы.
7. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
ВПА ЭЛАНГ-4.
7.1. Краткое описание конструкций ВПА ЭЛАНГ-4.
7.2. Проведение заводских испытаний ВПА ЭЛАНГ-4.
7.3. Выводы.
8. НЕКОТОРЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАЗРАБОТКИ ПАРАМЕТРОВ
И ЭЛЕМЕНТОВ ВПА ЭЛАНГ.
8.1. Возможный типоразмерный ряд винтоповоротных агрегатов.
8.2. Конструктивные схемы вращающихся агрегатов с баровым и шарошечным исполнительным органом.
8.3. Краткий анализ устройств противовращения агрегатов типа ЭЛАНГ.
8.4. Проходческий комплекс для горноспасательных работ.
8.5. Проходческий агрегат самолетной компоновки ЭЛАНГ-4с.
8.6. Выводы.
9. КРЕПЛЕНИЕ ПРИ ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК.
9.1. Варианты конструктивных решений на базе типовых и традиционных элементов крепей.
9.2. Варианты конструкций специального крепления при геовинчестерной технологии.
9.3. Выводы.
10. РАСЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВПА ЭЛАНГ.
10.1. Производительность винтоповоротных проходческих агрегатов.
10.2. Расчет и согласование параметров погрузочного органа агрегата ЭЛАНГ.
10.3. Вывод зависимостей для расчета радиуса поворота агрегата.
10.4. Сопоставительная оценка весовых характеристик ВПА.
10.5. Определение КПД ЭЛАНГов.
10.6. Методика выбора детерминированных параметров ВПА.
10.7. Выводы.
11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОВЕДЕНИЯ ГОРНЫХ ВЫРАБОТОК ПО ГЕОВИНЧЕСТЕРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ.
• 11.1. Технологические схемы проведения горизонтальных, наклонных, вертикальных горных выработок.
11.2. Укрупненный расчет графика организации работ проходческого цикла при проходке горизонтальных выработок ВПА ЭЛАНГ.
11.3. Выводы.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 01.86.0104516), а также в программу "Уголь Кузбасса" СО АН СССР и Минуглепрома СССР (№ госрегистрации 81081327).
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 технологии -образцов 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 выработки; п
- 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 3,0м и 4,0м.
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, 1982г. и г. Кемерово, 1986г.), 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» (19811986гг.), 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.
Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Аксенов, Владимир Валерьевич
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>0,5м, но увеличение радиуса агрегата с 1 до 3,5м требует повышения усилия перемещения головной секции в 9 раз;
- направление проходки выработок не создает жестких ограничений; в 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 частности -горного 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 крепь; достигнут 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 железобетонной; разработаны 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 техники -винтоповоротных агрегатов, имеющая важное хозяйственное значение
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Аксенов, Владимир Валерьевич, Кемерово
1. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Скоморохов В.М. Основы проектирования буровзрывных проходческих систем. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1985.
2. Базер Я.И. Проходческие комбайны. -М.: Госгортехиздат, 1958.
3. Евсеев Б.С., Архипов Г.Н. Применение проходческих комбайнов распорно-шагающего типа на шахтах Кузбасса: Экспресс-информация / ЦНИЗИуголь. М., 1979.
4. Малевич H.A. Применение проходческих комбайнов и комплексов на шахтах ФРГ. М.: Недра, 1976.
5. Папанага Ю.П. Перспективы совершенствования технологии проведения горных выработок на базе внедрения комбайнов с погрузочно-разрушающим исполнительным органом // Вопросы проведения, крепления и поддержания горных выработок. -М.: ЦНИИуголь, 1988.
6. Соломенцев М.И., Шрайман Л.Н. Новое в технологии проведения горных выработок // Уголь Украины. 1977. - № 5.
7. Механизация проходки горных выработок: Сб. науч. тр. — М.: ЦНИИподземмаш, 1984.
8. GTA Maschinensysteme in Strekenvortrieb // Bergbau. - 1988. - № 4.
9. Резников И.Г. Виброзащитные системы на основе стержневых канатных виброизоляторов с преобразованием движения в качестве функциональных элементов горных машин: Афтореф. дис. . д-ра техн. наук. Днепропетровск, 1990.
10. Ю.Манин A.A. Вибрация самоходных бурильных установок и методы ее снижения: Автореф. дис. . канд. техн. наук. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1984.
11. П.Шапиро В.Я. Разработка методов расчета и обоснования оптимальных технологических параметров проходки выработок в сложных геомеханических условиях: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. — Кемерово: ИУ СО АН СССР, 1990.
12. Кузнецов Ю.С., Ганзен Г .А. Совершенствование способов разрушения пород при проведении выработок: Обзор / ЦНИЭИуголь. М., 1981.
13. Строительство подземных сооружений с помощью проходческих щитов / С.А.Маршак и др. М.: Недра, 1967.
14. Клорикьян В.Х., Ходош В.В. Горно-проходческие щиты и комплексы. -М.: Недра, 1980.
15. Эткин С.М., Симоненко В.М. Сооружение подземных выработок проход-че скими щитами. М.: Недра, 1980.
16. Логунцов В.М. Механизированные проходческие щиты. — М.: ВИНИТИ, 1971.
17. Баклашов И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкций крепей. М.: Недра, 1984. - 415 с.
18. Баклашов И.В., Тимофеев О.В. Конструкции и расчет крепей и обделок. — М.: Недра, 1979.-263 с.
19. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочн. — М.: Недра, 1989.
20. Проходчик горных выработок. Справочник рабочего Под редакц. проф. докт. техн. наук А.И.Петрова. М.: Недра, 1991.
21. Мельников Н.И. Проведение и крепление горных выработок. — М.: Недра, 1988.
22. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. М.: Недра, 1983.
23. Солод В.И., Первов K.M. Основы проектирования выемочных комплексов и агрегатов. -М.: МГИ, 1973.
24. Солод Г.И. Технология производства горных машин и комплексов. — М.: Изв. МГИ, 1981.-63 с.
25. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф. Структурные схемы проходки выработок и средств механизации // Изв. вузов. Горн. журн. 1978. - № 12.
26. Горбунов В.Ф., Счастливцев E.JL, Эллер А.Ф. Структурные схемы средств механизации крепления горных выработок // Шахтное стр-во. 1980. - № 5.
27. Бунин В.И. Создание проходческих комплексов на принципе агрегатиро-ва ния для проведения наклонных выработок. Дис. . докт. техн. наук. Кемерово, 1997. - 46 с.
28. Свирщевский В.К. Проходка скважин в грунте способом раскатки. — Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1982.
29. Свирщевский В.К., Трофимук A.A., Орехов A.A. и др. Устройство для проходки скважин способом раскатки: Патент в Швеции № 7410003, 1978.
30. A.c. № 732460. Машина для образования скважин в грунте / Свирщевский В.К., Трофимук A.A. Опубл. в Б.И., 1980, № 17.
31. Свирщевский В.К. Основы теории и создание машин для проходки скважин в грунте способом раскатки: Автореф. дис. . д-ра техн. наук. — Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1989.
32. A.c. № 1008458 (СССР). Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В. Опубл. в Б.И., 1983, № 12.
33. А.С. № 1167338. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1985, № 26.
34. Проектирование и расчет проходческих комплексов/ Горбунов В.Ф., Аксенов В.В., Эллер А.Ф. и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1987.
35. Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Савельев Ю.П. Разработка и испытание вращающегося проходческого агрегата ЭЛАНГ//Шахт. стр-во. 1985.-№6.
36. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. -М.: Недра, 1982.
37. A.c. № 1323531. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1987, № 29.
38. A.c. № 1523674. Проходческий щитовой агрегат / Яблочкин В.В., Корень-ков A.B., Новиков К.С. Опубл. в Б.И., 1989, № 43.
39. Прохоров А.Ф. Конструктор и ЭВМ. М.: Машиностроение, 1987.
40. Баклашев И.В., Картозия Б.А. Механика подземных сооружений и конструкции крепей. -М.: Недра, 1984.
41. A.c. № 1229354. Проходческий щитовой агрегат / Горбунов В.Ф., Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Нагорный В.Д. Опубл. в Б.И., 1986, № 17.
42. Алимов О.Д. Об оценке качества машин для бурения шпуров // Изв. Том. политехи, ин-та. Томск, 1959. С. 108.
43. Медведев И.Ф. Режимы бурения и выбор буровых машин. М.: Недра, 1975.-С. 224.
44. Лукьянов В.Г. Технология и организация проведения разведочных выработок. М.: Недра, 1977. - 199 с.
45. Типовые технологические карты проведения горизонтальных горных выработок сечением в проходке более 18м буровзрывным способом / Вер-хотуров B.C., Амурский Б.С., Ерофеев Л.М. и др.— Кемерово: Кузнии-шахтострой, 1985.-236с.
46. Реализация гипотез о перспективности применения гидравлических силовых импульсных систем в самоходных буровых агрегатах / О.Д.Алимов, С.А.Басов, И.С.Волоскова и др. Фрунзе: Илим, 1978. - 180 с.
47. Алгоритмы оптимизации проектных решений / Под ред.
48. A.Н.Половинкина. М.: Энергия, 1976.
49. Горбунов В.Ф., Бунин В.И., Эллер А.Ф. Методические указания по определению производительности и выбору основных параметров буровзрывных проходческих комплексов. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1982. -56 с.
50. Вопросы теории оптимального горного проектирования. Сб. науч. тр. — М.: ИПКОН, 1978. С. 270.
51. Эллер А.Ф. Структурообразование уборочных машин // Совершенствование техники, технологии и организации шахтного строительства. — Кемерово: Кузниишахтострой, 1981. 55.Справочник инженера-шахтостроителя. В 2 т. Т. 2 / Под общей ред.
52. B.В.Бе-лого. М.: Недра, 1983. - 423 с.
53. Чекубаш А.Д. Многоярусный ленточный бункер-поезд и методика определения его производительности // Машины и оборуд. для горн, работ. -М.: НИИинформтяжмаш, 2-75-12. 1975.
54. Казанский Ю.В. Исследование и определение параметров технологии и средств механизации крепления при комбайновой проходке подготовительных выработок: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1976. — 12 с.
55. Гелескул М.Н., Бечвая Д.И. Механизация крепления горных выработок. -М.: ЦНИЭИуголь, 1971. 40 с.
56. Эткин С.М., Симоненко В.М. Сооружение подземных выработок проходческими щитами. М.: Недра, 1980. - 304 с. бО.Клорикьян В.Х., Ходош В.В. Горнопроходческие щиты и комплексы. -М.: Недра, 1980.-384 с.
57. Булычев Н.С. Механика подземных сооружений. М.: Недра, 1982 - 270 с.
58. Борисов A.A. Механика горных пород и массивов- М.: Недра, 1980. -360 с.
59. Справочник по креплению горных выработок / М.Н.Гелескул, В.Н.Хорин, Е.С.Киселев, Н.П.Бушуев. -М.: Недра, 1976. 508 с.
60. Штанговая крепь / В.Н.Семевский, В.М.Волжский, О.В.Тимофеев и др. -М.: Недра, 1965.-328 с.
61. Исследование и опыт промышленного освоения сталеполимерной штанговой крепи на шахтах СУБРа / О.В.Тимофеев, Н.И.Власов, В.Г.Сафронов и др. // Горн. журн. 1974. - № ю. - С. 26-28.
62. Тимофеев О.В., Трушко B.JL, Швецов Н.И. Опыт применения сталеполимерной штанговой крепи на СУБРе // Цв. металлургия. — 1979. № 20. — С. 22-25.
63. Башилов Ю.Б. Применение самоходной машины САКК-3 для крепления кровли камер // Цв. металлургия. 1969. - № 7. - С. 12-14.
64. Маршев B.C., Гудков Г.Д., Нескреба A.B. Самоходная установка БУА-3 // Шахтное стр-во. 1976. - № 1. - С. 15-17.
65. A.c. № 406016 (СССР). Устройство для крепления кровли горных выработок / Ж.С.Сагитов, Ю.Б.Башилов, Ю.М.Кулаев. Опубл. в Б.И., 1973, № 45.
66. A.c. № 781361 (СССР). Устройство для установки в кровле штанговой крепи / П.М.Ким, П.Г.Данылив. Опубл. в Б.И., 1980, № 43.
67. A.c. 665096 (СССР). Устройство для крепления кровли горных выработок анкерами / А.М.Третьяков, В.Л.Молокоедов, А.Х.Ли. Опубл. в Б.И., 1979, №20.
68. A.c. 1076592 (СССР) Устройство для крепления кровли горных выработок штанговой крепью / В.Ф.Горбунов, Ю.Н.Сыркин, В.М.Скоморохов. — Опубл. в Б.И., 1984, № 8.
69. Мельников Н.И., Трушин B.C. Использование анкерной крепи за рубежом. -М.: ЦНИЭИуголь, 1969. 80 с.
70. John L., John Convine. Automated continuous roof support // Coal Aqe. -1975.-№ 8.-P. 30-32.
71. Генин M.C. Исследование и применение анкерной крепи винтового типа: Автореф. дис. . канд. техн. наук. М., 1971. - 24 с.
72. Бегагоен И.А., Дядюра А.Г. Бурильные машины. М.: Недра, 1973.
73. Дворников JI.T., Алымкулов Э.А. Вращательно-ударные механизмы бурильных машин. М.: ЦНИИЭИ цв.металлургии, 1984. — Вып. 1. - С. 56.
74. Механизация и автоматизация буровых работ / О.Д.Алимов, А.Ф.Фролов, Е.Б.Бексалов и др. — Фрунзе: Илим, 1971. — С. 36.
75. Алимов О.Д. Исследование процессов разрушения горных пород при бурении шпуров. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1960. — С. 88.
76. Пономарев С.Д. Расчеты на прочность в машиностроении. Т. 1. — М.: Машиностроение, 1956. — 477 с.
77. Сопротивление материалов / Под общ. ред. Г.С.Писаренко. Киев: Вищ. Школа, 1973.
78. Солод В.И., Зайков В.И., Первов K.M. Горные машины и автоматизированные комплексы: Учебник для вузов. М.: Недра, 1981. - 503 с.
79. Малевич H.A. Горнопроходческие машины и комплексы. М.: Недра, 1980.-384 с.
80. Торгалов В.В. Монтаж подземных проходческих механизмов. М.: Высшая школа, 1986. - 264 с.
81. Методика определения экономической эффективности использования в угольной промышленности новой техники, изобретений и рацпредложений. -М.: ЦНИЭИуголь, 1979. 121 с.
82. Справочник по нормированию и организации труда на угольных шахтах / Н.Д.Прокопенко, А.И.Воробьева, Ю.Д.Качко и др. М.: Недра, 1983. -317 с.
83. Горбунов В.Ф. Исследование рабочего процесса и вибрации пневматических молотков. Дис. . докт. техн. наук. Томск, 1964.
84. Аксенов В.В. Разработка методики расчета параметров вращающихся агрегатов. Дис. . канд. техн. наук. — Новосибирск, 1987.
85. Пушкина Н.Б. Разработка методов и программных средств проектирования исполнительных органов проходческих агрегатов. Кемерово, 1991.
86. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн. 1. Изд. 2-е перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1977.
87. Топчиев А.В., Шурис Н.С. Машины для очистных и подготовительных работ. Расчет и конструирование. — М.: Госгортехиздат, 1962. — 352 с.
88. Тентирис Я.К. Методы и алгоритмы автоматизированного построения структурных моделей в задачах управления и проектирования сложных технических систем: Дис. . канд. техн. наук. Рига, 1986.
89. Нагорный В.Д. Выбор структурной схемы и разработка подвесного кре-пеустановщика металлической арочной крепи. Дис. . канд. техн. наук. — Кемерово, 1989.
90. Гелескул М.Н., Каретников В.Н. Справочник по креплению капитальных и подготовительных горных выработок. М.: Недра, 1982.
91. Каретников В.Н., Клейменов В.Б., Нуждихин А.Г. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. М.: Недра. -1989.
92. А.С. № 1639159 (СССР). Крепь горных выработок / В.В.Аксенов, А.Ф.Эллер, В.Ю.Изаксон, В.Д.Нагорный. Не публикуется.
93. Подерни Р.Ю. Горные машины и комплексы для открытых работ. М.: Недра, 1985.
94. Бермант А.Ф. Краткий курс математического анализа. М.: Наука, 1965.
95. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. М.: Машиностроение, 1973.
96. A.c. № 1668678. Проходческий щитовой агрегат / Эллер А.Ф., Аксенов В.В., Пушкина Н.Б., Саруев JI.A., Крауиньш П.Я. Опубл. в Б.И., 1991, № 29.
97. Быков В.П. Методическое обеспечение САПР в машиностроении. — JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.
98. Машины и инструмент для бурения скважин на угольных шахтах / М.С.Сафохин, И.Д.Богомолов, Н.М.Скорняков, А.М.Цехин. М.: Недра, 1985.
99. Единые нормы и расценки № 36. Сооружение подземных горных выработок. 1988. -254 с.1. ПРИЛОЖЕН И Я
100. Значения усилий в шарнирах от действия подвижных единичныхрадиальных нагрузок
101. Усилия в шарнирах Ф, град.0 10 20 30 40 50 60 70 80
102. АРХ 0,5 0,5426 0,5687 0,5775 0,5687 0,5426 0,5 0,342 0,1736
103. АРу 0,289 0,3136 0,3286 0,3333 0,3286 0,3136 0,289 0,3136 0,3286
104. Ар 0,5775 0,6267 0,6568 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,4637 0,3712врх 0,5 0,4422 0,371 0,2885 0,1973 од 0 0 0
105. ВРу -0,289 -0,1399 0,0134 0,1664 0,3142 0,4526 0,5775 0,6267 0,6568
106. Вр 0,5775 0,4637 0,3712 0,3333 0,3712 0,4637 0,5775 0,6267 1 0,6568
107. СХ -0,5 -0,5426 -0,5687 -0,5775 -0,5687 -0,5426 -0,5 0 0 0
108. Су 0,289 0,3136 0,3286 0,3333 0,3286 0,3136 0,289 -0,5775 -0,6267 -0,65680,5775 0,6267 0,6568 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,6267 0,65681. Продолжение таблицы
109. Усилия в шарнирах Ф, Град.90 100 110 120 130 140 150 160 170
110. Л 0 -0,1736 -0,342 -0,5 -0,5427 -0.5687 -0, 5775 -0.5687 -0,5427
111. А'у 0,3333 0,3286 0.3136 0,289 0.3136 0,3286 0,3333 0,3286 0.3136
112. Ар 0,3333 0,3712 0,4637 0, 5775 0,6267 0,6568 0.6667 0,6568 0,62670 0 0 0,5 0 0,5427 0.5687 0, 5775 0.5687 0,5427
113. ВРу 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 -0,289 -0,3136 -0,3286 -0,3333 -0,3286 -0.3136
114. Вр 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,6267 0,6568 0.6667 0,6568 0,6267
115. С?х 0 0 0 0 -од -0,1973 -0,2885 -0,3710 -0,4422
116. Су -0,6667 -0,6568 -0,6267 -0,5775 -0,4526 -0.3142 -0,1664 -0,0134 0,1399ср 0,6667 0,6568 0,6267 0,5775 0,4637 0,3712 0,3333 0,3712 0,4637
117. Значения усилий в шарнирах от действия подвижных единичныхтангенциальных нагрузок
118. Усилия в шарнирах ф, г рад.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
119. Агх 0,712 0,6056 0,4633 0,289 0,0972 -0,0972 -0,289 -0,4633 -0,6056 -0,712
120. Л ТУ 0.5 0,5052 0,5052 0,5 0.495 0.495 0.5 0,5052 0,5052 0.5
121. А1 0,87 0,788 0,6855 0,577 0,504 0,504 0,577 0,6855 0,788 0,87
122. Втх 0,289 0,2056 0,1344 0,0767 -0,7886 -0.7399 -0,6688 -0,577 -0,4764 -0,3792 -0,289
123. В1у 0,5 0,6532 0.7765 0.866 0.366 0,2712 0,148 0 -0,1632 -0,3316 -0.5
124. В1 0,577 0,6855 0,788 0,87 0,788 0,6855 0,577 0,504 0,504 0,577
125. С х 0,289 0,3792 0,4764 0,577 0,6888 0,7399 0,7886 -0.0767 -0,1344 -0,2056 -0.289
126. СГу 0,5 0,3316 0,1632 0 -0,148 -0,2712 -0,366 -0,866 -0,7765 -0,6532 -0,5с . 0,571 0,504 0,504 0,517 .0,6855 0,788 . 0,87„ .0,788 0,6855 0,577
-
Аксенов, Владимир Валерьевич
-
доктора технических наук
-
Кемерово, 2004
-
ВАК 25.00.22
- Обоснование параметров технологии проведения и поддержания камер и сопряжений горных выработок угольных шахт
- Повышение технологичности крепления и эксплуатационной надежности подготовительных выработок при интенсивной отработке запасов угля
- Разработка способов проведения и средств крепления широких выработок в зоне интенсивного проявления горного давления на шахтах Воркутского месторождения
- Геомеханическое обоснование и технология скоростного проведения подготовительных выработок для эффективного воспроизводства очистного фронта
- Разработка эффективных способов и средств по обеспечению устойчивости почв подготовительных выработок
