Геовинчестерная технология и геоходы



Предыдущая | Следующая

 

Геовинчестерная технология и геоходы – наукоемкий и инновационный подход к освоению недр и формированию подземного пространства АКСЕНОВ Владимир Валерьевич Доктор техн. наук, ИУУ СО РАН Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магист ЕФРЕМЕНКОВ Андрей Борисович Канд. техн. наук, ЮТИ ТПУ Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магист ралей 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.
Традиционное представление проходки выработки как процесса образования полости в массиве горных пород всегда определяло и до сих пор определяет направления совершенствования геотехнологий строительства подземных сооружений и, соответственно, создания проходческого оборудования для освоения подземного пространства [1,2]. В то же время известные технологии проведения горных выработок, развиваясь по пути увеличения мощности и металлоемкости оборудования, практически исчерпали свои возможности в увеличении производительности, обеспечении безопасности работ и расширения области применения.
В поисках путей совершенствования геотехнологий проведения горных выработок в ИУУ СО РАН были рассмотрены альтернативные подходы и решения, используемые, в частности, в самолетостроении и кораблестроении. Как известно, в этих областях используются результаты исследований, в основу которых положен процесс изучения движения твердого тела соответственно в воздушной и водной средах.
Авиаконструкторы и кораблестроители при проектировании и строительстве аппаратов, предназначенных для движения в воздушном пространстве (самолет, вертолет и др.) и водной среде (корабль, подводная лодка и др.) изыскали возможность использования самой среды для создания усилий тяги при движении соответствующего аппарата. Для этой цели были созданы внешние движители:
пропеллер, гребной винт и др. В результате была получена возможность перемещения твердого тела (аппарата) в любом направлении воздушного или водного пространства.
Вернемся к интересующей нас сфере деятельности — освоению подземного пространства. Одним из главных и определяющих этапов освоения подземного пространства является проходка горных выработок, для осуществления которой сейчас в качестве базового оборудования используются проходческие комбайны или щиты. Другими словами, в подземных условиях для перемещения проходческого аппарата используются внешние движители (гусеничные, колесные, колесно-рельсовые или распорно-шагающие), которые хорошо показали себя на земной поверхности, но, по сути, предназначенны для перемещения какого-либо аппарата только на контакте твердой и воздушной сред.
Из этого обстоятельства вытекают основные проблемы современных технологий проведения горных выработок:
невозможность движения проходческих аппаратов в любом направлении подземного пространства и невозможность создания больших напорных усилий на исполнительном органе для разрушения крепких пород. Как следствие, для создания достаточных напорных усилий конструкторы вынуждены увеличивать массу горнопроходческих комбайнов, масса которых уже превышает 80 т. Кроме того, продолжают остро стоять вопросы безопасности ведения работ в призабой Хотелось бы выделить главное — в процессе работы проходческого комбайна или щита для создания силы тяги и напорного усилия на исполнительном органе ни коим образом не задействована сама внешняя геосреда, а только твердая поверхность выработки на контакте гео — и воздушной сред, или при щитовом способе проходки — мощная постоянная Нами проведен ряд исследований [3, 4], на основании которых предлагается совершенно иной подход к процессу проведения горных выработок. Мы считаем, что изначально проходку выработок необходимо рассматривать как процесс движения твердого тела (проходческого оборудования) в твердой среде и только потом, при необходимости, рассматривать как процесс образования полости в массиве горных пород. Приконтурный массив пород должен использоваться как опорный элемент, воспринимающий реактивные усилия от горнопроходческого оборудования при выполнении им основных технологических операций.
Принцип связывания в функциональном единстве основного движения (подачи на забой) и процесса резания горных пород дал название «геовинчестерная технология» проведения горных выра Геовинчестерная технология (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.
Область применения ГВТ:
• Проходка горных выработок различного расположения в пространстве.
• Возведение подземных сооружений различного назначения:
— городские коллекторы;
— магистральные тоннели метро;
— подземные склады, хранилища;
— подземные переходы, гаражи;
• Ведение аварийно-спасательных работ в завалах.
К специально создаваемому для работы по ГВТ новому виду горнопроходческой техники были выработаны основные технологические и технические требования:
— 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 должна 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 исключения процесса 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 по сравнению с проходческими щитами традиционного исполнения;
— величина передаваемых на исполнительный орган напорных усилий должна соответствовать усилиям, необходимым для разрушения породы (геосреды), 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 начальном этапе создания новой техники не предъявлялись.
Идеалом 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.
На основании функционально-структурной теории создания горнопроходческих систем и с учетом сформулированных требований был разработан ряд конструктивных схем проходческого агрегата, отличительной особенностью работы которого является вращательнопоступательное перемещение на забой по принципу ввинчивания. Проходческий агрегат первоначально получил название АПЩВ (агрегат проходческий щитовой вращающийся), которое в последствии трансформировалось в ВПА (винтоповоротный проходческий агрегат). В настоящее время такой класс горнопроходческих машин получил название геоходов.
Геоход — аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды. Представляя собой новый класс горных машин, геоходыпредназначеныдляпроходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве, аналогов конструкции в мировой практике нет.
Для разработки конструкторской документации на изготовление первых экспериментальных образцов геоходов предварительно были разработаны математическая модель их взаимодействия с геосредой и некоторые положения методики расчета силовых и прочностных параметров. Конструкция и принцип ра боты геоходов (винтоповоротных проходческих агрегатов) достаточно подробно рассмотрены в работах [3,4].
Корпус геохода — носитель, являясь конструктивной базой для размещения функциональных систем и элементов геохода, предназначен не только для защиты призабойной зоны от вывалов пород, восприятия нагрузок от горного давления и силового оборудования, но и для «включения» приконтурного массива пород в технологический процесс проведения выработки (перераспределение нагрузок от силового оборудования на окружающую геосреду), а также для удержания геохода в геосреде при любом его пространственном положении.
Внешний движитель и система противовращения предназначены для формирования требуемого усилия тяги и напорного усилия на исполнительном органе, восприятия основной части нагрузок от горного давления, силового оборудования и перераспределения его на окружающую геосреду, формирования свободного от геосреды винтового и продольного каналов за контуром проводимой выработки.
Исполнительный орган разрушения забоя предназначен для одновременного формирования и разрушения породного уступа на поверхности забоя выработки, формирования свободного от геосреды пространства в направлении проводимой выработки для прохождения носителя геохода, обеспечения достаточной производительности при любом пространственном расположении геохода.
Энергосиловаяустановка,трансмиссия, погрузочная система и крепевозводящий модуль геохода предназначены для обеспечения работоспособности геохода при его перемещении в геосреде в любом направлении и достаточной производительности при проведении горной выработки любого пространственного расположения.
Испытания первых экспериментальных образцов геоходов: ЭЛАНГ-3 (рис. 1), изготовленного совместно с работниками шахты «Карагайлинская» ПО «Киселевскуголь», и ЭЛАНГ-4 (рис. 2), изготовленного совместно с НПО «Сибгипрогормаш» (г.
Новосибирск) и АП ЭЛСИБ (г. Новосибирск), доказали принципиальную работоспособность и перспективность проходческих агрегатов, перемещающихся на забой с использованием окружающей геосреды.
ЭЛАНГ — аббревиатура авторского коллектива — Эллер А. Ф., Аксенов В. В., Нагорный В. Д. и Горбунов В. Ф.
Решение основных научно-технических проблем, стоящих на пути развития ГВТ и геоходов невозможно без проведения большого комплекса специализированных научных исследований, причем не разового характера. Для решения этого комплекса задач необходимо формирование нового научного направления основ геовинчестерной технологии проведения горных выработок, разработка научных основ проектирования геоходов многоцелевого назначения и их систем (геоходостроение), а также разработка методик расчета силовых и конструктивных параметров геоходов. Для решения подобного типа задач применительно к освоению подземного пространства назрела необходимость создания нового научного направления — геодинамика подземных аппаратов.
Основной задачей геодинамики подземных аппаратов, по нашему мнению, должно стать изучение сил, возникающих на поверхности твердого тела, движущегося в твердой среде. До создания геохо Рис. 1. Экспериментальный образец геохода ЭЛАНГ-3 диаметром 3 м Рис. 2. Экспериментальный образец геохода ЭЛАНГ-4 диаметром 4 м дов острой необходимости в решении подобного класса задач не возникало.
Именно при проектировании геоходов стоят проблемы: определения сил, возникающих на поверхности геохода и его элементов; выбора рациональных форм и геометрических параметров элементов с точки зрения возникающих при движении подземного аппарата геодинамических сопротивлений.
В период работы по созданию первых экспериментальных образцов геоходов небольшому научному коллективу пришлось не только решать большой комплекс научных задач и самим заниматься разработкой рабочей документации на изготовление новой техники, но и своими руками изготавливать и собирать агрегаты, осваивать профессию испытателя новой техники, заниматься большим объемом организационных мероприятий, решать финансовые проблемы и многим, многим другим.
С одной стороны коллектив приобрел огромный опыт работы и связи с производством, а с другой — на решение всех поставленных задач, особенно финансового и организационного плана, уходило очень много времени. Так, создание и испытание одного экспериментального образца заняли около 10 лет. В современных условиях такой подход к решению научно-технических проблем неприемлем.
Опыт самолетостроения и кораблестроения показывает, что для успешного и оперативного создания, особенно в ры ночных условиях, конкурентоспособных образцов новой техники, наряду с достаточным финансированием, необходима специализация — от разработки технической идеи до испытания и внедрения, новых образцов техники. Именно такой подход позволяет не только успешно доводить новую технику до серийного производства, но и безболезненно внедрять ее. Отсутствие в горной промышленности специализированного центра подземных испытаний, а также самой профессии «горный испытатель» не просто сдерживают создание и внедрение новой конкурентоспособной техники, но и делает этот процесс невозможным.
Потенциально широкая область применения новой геотехнологии, а также отсутствие на данном этапе конкурентоспособных разработок обусловливают необходимость скорейшего развертывания работ в направлениях представленных Предлагаемый путь создания нового инструментария для освоения подземного пространства: новых геотехнологий проведения горных выработок и нового класса горнопроходческих машин, является с одной стороны, безусловно, инновационным, а с другой — наукоемким. Причем необходимый объем проведения научных исследований настолько огромен, что потребуется не одно десятилетие для его осуществления. Но рано или поздно этот путь придется пройти.
Список литературы:
1. Динник Ю. Н., Крашкин И. С, Мерзляков В. Г. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г. // Горное оборудование и электромеханика. — 2006. — № 2. — С. 2-12.
2. Динник Ю. Н., Крашкин И. С, Мерзляков В. Г. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г. // Горное оборудование и электромеханика. — 2006. — № 3. — С. 2-6.
3. Эллер А. Ф., Горбунов В. Ф., Аксенов В. В. Винтоповоротные проходческие агрегаты — Новосибирск: ВО «Наука», 1992. — 192 с.
4. Аксенов В. В. Геовинчестерная технология проведения горных выработок – Кемерово: Институт угля и углехимии СО РАН, 2004. – 264 с.