Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 16
1.1. Анализ существующих типов проходческой техники 16
1.1.1. Основные конструктивные схемы стружкосрезающих проходческих систем 16
1.1.2. Буровзрывные проходческие системы 25
1.1.3. Щитовые проходческие системы 27
1.2. Классификация крепей горных выработок 31
1.3. Классификация существующих технологий сооружения горных выработок 34
1.4. Обоснование возможности создания геовинчестерной технологии проведения горных выработок 39
1.4.1. Сущность функционального подхода 39
1.4.2. Структурная систематизация средств механизации проведения выработок 40
1.4.3. Геовинчестерная технология проведения горных выработок... 42
1.5. Выводы, цель и задачи исследования 46
2. Базовые конструкции винтоповоротных проходческих агрегатов 49
2.1. Конструкция и принцип действия винтоповоротных проходческих агрегатов ЭЛАНГ 50
2.2. Сопоставительный анализ винтоповоротных конструкций для образования подземных полостей 54
2.3. Синтезированные конструктивные схемы винтоповоротных агрегатов ЭЛАНГ 60
2.4. Основные функциональные модули и область применения ВПА ЭЛАНГ 69
2.5. Выводы 74
3. Моделирование взаимодействия впа (геоходов) с массивом пород 77
3.1. Модели среды 77
3.2. Нагрузки, схемы расчета и усилия, действующие на корпус агрегата 80
3.3. Определение необходимых усилий перемещения секций и реакции окружающей породы на винтовую лопасть у трехсекционного агрегата (ЭЛАНГ-3) 84
3.4. Реакция забоя на органы разрушения 91
3.5. Влияние перекатной платформы и погрузочного устройства на перемещение секций 98
3.6. Взаимодействие оболочки секций ВПА с массивом пород 100
3.7. Определение необходимых усилий перемещения двухсекционного агрегата (ЭЛАНГ-4) 108
3.8. Выводы 110
4. Влияние основных факторов на работу ВПА 112
4.1. Влияние габаритных размеров ВПА ЭЛАНГ на его силовые параметры 112
4.2. Влияние габаритных размеров ВПА на величину сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и окружающей породой 115
4.3. Влияние диаметра ВПА на величину необходимых усилий перемещения его секций и на величину реакции породы на винтовую лопасть 117
4.4. Влияние угла наклона проводимой выработки на силовые параметры агрегата 121
4.5. Влияние винтовой лопасти на силовые параметры агрегата 126
4.6. Влияние угла подъема винтовой лопасти на силовые параметры ВПА 130
4.7. Выводы 134
5. Проектирование несущих конструктивных элементов винтоповоротных проходческих агрегатов 136
5.1. Определение нагрузки, действующей на силовые элементы 136
5.2. Построение линий влияния усилий в шарнирах крепи 141
5.3. Построение линий влияния внутренних усилий 144
5.4. Определение внутренних усилий в несущих элементах
корпуса ВПА при изгибе 154
5.5. Определение внутренних усилий в несущих элементах секций винтоповоротного проходческого агрегата при кручении 157
5.6. Расчет винтовой лопасти 159
5.7. Расчет на прочность стрингеров...-. 163
5.8. Выводы 167
6. Разработка, изготовление и испытание ВПА "Эланг-3" (АПЩВ-3,0) 169
6.1. Конструкция и принцип работы вращающегося проходческого агрегата АПЩВ-3,0 - ЭЛАНГ-3 169
6.1.1. Конструкция агрегата 169
6.1.2. Работа агрегата 178
6.2. Шахтные испытания агрегата "ЭЛАНГ-3" 183
6.3.В ыво д ы 191
7. Разработка, изготовление и испытание ВПА ЭЛАНГ -4 193
7.1. Краткое описание конструкций ВПА ЭЛАНГ-4 193
7.2. Проведение заводских испытаний ВПА ЭЛАНГ-4 202
7.3. Выводы 209
8. Некоторые перспективные разработки параметров и элементов ВПА ЭЛАНГ 211
8.1. Возможный типоразмерныи ряд винтоповоротных агрегатов 212
8.2. Конструктивные схемы вращающихся агрегатов с баровым и шарошечным исполнительным органом 213
8.3. Краткий анализ устройств противовращения агрегатов типа ЭЛАНГ 218
8.4. Проходческий комплекс для горноспасательных работ 224
8.5. Проходческий агрегат самолетной компоновки ЭЛАНГ-4с 226
8.6. Выводы 230
9. Крепление при геовинчестернои технологии проведения горных выработок 231
9.1. Варианты конструктивных решений на базе типовых и традиционных элементов крепей 234
9.2. Варианты конструкций специального крепления при геовинчестерной технологии 239
9.3. Выводы 242
10. Расчет эксплуатационно-технических параметров ВПА ЭЛАНГ 244
10.1. Производительность винтоповоротных проходческих агрегатов 244
10.2. Расчет и согласование параметров погрузочного органа агрегата ЭЛАНГ 250
10.3. Вывод зависимостей для расчета радиуса поворота агрегата 257
10.4. Сопоставительная оценка весовых характеристик ВПА 260
10.5. Определение КПД ЭЛАНГов 262
10.6. Методика выбора детерминированных параметров ВПА 267
10.7. Выводы 270
11. Технологические схемы проведения горных выработок по геовинчестерной технологии 271
11.1. Технологические схемы проведения горизонтальных, наклонных, вертикальных горных выработок 271
11.2. Укрупненный расчет графика организации работ проходческого цикла при проходке горизонтальных выработок ВПА ЭЛАНГ 286
11.3. Выводы 292
Заключение 294
Литература 298
Приложения 307
- Обоснование возможности создания геовинчестерной технологии проведения горных выработок
- Синтезированные конструктивные схемы винтоповоротных агрегатов ЭЛАНГ
- Определение необходимых усилий перемещения секций и реакции окружающей породы на винтовую лопасть у трехсекционного агрегата (ЭЛАНГ-3)
- Влияние диаметра ВПА на величину необходимых усилий перемещения его секций и на величину реакции породы на винтовую лопасть
Введение к работе
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:
Обосновать принцип, разработать структуру геовинчестерной технологии проведения горных выработок и сформулировать функциональные и конструктивные требования к базовому элементу - винтоповоротным проходческим агрегатам.
Разработать модель активного взаимодействия агрегата с вмещающими породами и на ее основе определить основные технические решения по компоновке и конструкции важнейших механизмов.
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.
Выбрать типичные важнейшие области применения геовинчестерной технологии, для которых спроектировать, изготовить опытные образцы винтоповоротных проходческих агрегатов и провести экспериментальную про-
верку их пригодности и работоспособности при проведении горных выработок.
Разработать новые технические решения по эффективным способам крепления горных выработок с использованием особенностей обработки при-контурной части массива агрегатами.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 окружаю
щей геосреде, в конкретном случае - массиве вмещающих пород, во взаимо
действии с которой реализуется проведение горной выработки;
ф - впервые разработаны элементы геовинчестерной технологии, реали-
зующей 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
Г/ 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 возведе-
ния 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, повы-
щ шая 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 конст-
рукции 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» (НІЖ 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» (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.В.Першину.
Обоснование возможности создания геовинчестерной технологии проведения горных выработок
В настоящее время систематизация по функциональному признаку достаточно широко применяется в машиностроении [22,23] и других областях. В горном деле по этому вопросу наибольший вклад внесли профессора В.И.Сол од, Г.И.Сол од, В.Н.Гетопанов [24,25,26] и другие исследователи. В работах [27,28,1] на основе функционального признака получены структурные формулы для основных операционных машин, участвующих в процессе образования горной выработки (табл. 1.5). На основе этого подхода разработана структурная систематизация средств комплексной механизации проведения горных выработок. В табл. 1.5 приняты следующие обозначения процессов: О — отделение горной массы; У- уборка породы из забоя; К— крепление выработанного пространства. В процессе механизации проведения горной выработки средства механизации выполнения производственных процессов объединяются в ту или иную схему определенными связями [25]. Принято технологическую связь обозначать знаком (-), кинематическую (+) и конструктивную ( ). Используя принятые обозначения и символы, можно описать наиболее общую технологическую схему механизации процесса проведения горных выработок следующей структурной формулой: при наличии технологической связи О-У-К, при наличии кинематической связи 0+ У+К, при наличии конструктивной связи О У К. В практике проходки горных выработок в зависимости от горногеологических условий встречаются технологические схемы, в которых не требуется исполнять ту или иную операцию. Например, в устойчивых поро- дах при необходимости возведения временной крепи.
Такая схема опишется как 0+ У или О У. Следовательно, формулы, описывающие технологические схемы, являются одновременно структурными схемами механизации процесса проходки выработок. Подобный вывод сделан и в [25] применительно к выемочным комплексам и агрегатам. Накопление опыта создания и освоения горнопроходческих систем позволит перейти в дальнейшем к проектированию типоразмерных рядов, предназначенных для проведения горных выработок в широком спектре горно-геологических условий. Состояние дел в области создания горнопроходческих машин тесно связано с имеющимися возможностями машиностроительной базы. Анализ средств механизации проведения выработок позволяет сделать вывод, что за последние годы (1985-2002гг.) в шахты не было передано ни одной новой функциональной машины. По инициативе Кузниишахтостроя и ИГД им. А.А.Скочинского разработаны соответственно проходческий полуагрегат "Сибирь" и породопогрузочная машина МІЖ с боковой разгрузкой ковша.
Опытные образцы прошли промышленное испытание и показали хорошие результаты [29]. Широкому внедрению этих машин в практику препятствует отсутствие производственных мощностей у машиностроительных заводов горного профиля. Вместе с тем, за эти же годы в Кузбассе, да и во всей зауральской зоне не построено ни одного завода, производящего горнопроходческие машины. Конструкторский уровень создаваемых машин определяет связь между заводами-изготовителями. Отсутствие связей между средствами механизации операций отделения горной массы, удаления ее из забоя и закрепления вновь образовывающегося пространства выработки (О, У, К) обусловливает обособленное функционирование заводов, выпускающих это оборудование. Повышение показателей горно-подготовительных работ может быть достигнуто за счет широкого внедрения принципиально новых функциональных машин, и, прежде всего комплексов и агрегатов. В Лаборатории проходческих комплексов ИУ СО АН СССР проходка горных выработок определена как процесс движения твердого тела (горнопроходческого оборудования) в твердой среде (вмещающей породе). В результате предложено использовать приконтурный массив пород как опорный элемент 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. Предлагаемая технология значительно отличается от традиционных. На рис. 1.3. представлена структура ГВТ, основные элементы технологии, их назначение и выполняемые технологические функции.
Синтезированные конструктивные схемы винтоповоротных агрегатов ЭЛАНГ
Концептуальная модель конструктивного строения винтоповоротных проходческих систем, функционирующих по принципу ввинчивания, позволила целенаправленно прорабатывать конструктивные схемы для конкретных горно-геологических условий и определенных эксплуатационных показателей. В табл. 2.1 представлены кинематические схемы наиболее оригинальных по своему принципу действия и конструктивной компоновке винтоповоротных проходческих агрегатов.
Винтоповоротный агрегат по схеме 1 (табл. 2.1) [36] в идеальном виде реализует принцип ввинчивания и объединяет в единой конструкции важнейшие функциональные органы, механизирующие выполнение операций проходческого цикла. Гидроцилиндры вращения вмонтированы в спираль, на внешней поверхности которой имеются опорные элементы с прикрепленными штоками. Второй конец гидроцилиндров закрепляется в спирали. В забойной части винтовая спираль переходит в радиальный шип, на котором монтируется исполнительный орган. Контур выработки поддерживается витками спирали.
Область применения такой конструкции ограничивается устойчивыми и не очень прочными горными породами. Основная причина тому - продавли-вание боковых пород опорными элементами и просыпь или вывалы пород в межспиральное пространство. Это может привести к прекращению вращения спирали, а значит, и функционирования всего агрегата.
Поиски решений по расширению области применения и повышению надежности работы ВПА привели к идее "обшить" спираль листовым металлом и охватить оболочкой с продольными опорными элементами на внешней поверхности часть спиральной оболочки с опорными башмаками (табл. 2.1, схема 2) [37]. Кроме того, винтовая (спиральная) и охватывающая ее цилиндрическая оболочки кинематически связаны домкратами надвига. ИО выполнен на радиальных шипах, причем один из шипов формирует (нарезает) винтовой канал в контуре выработки. Это необходимо для свободного входа винтовой спирали в канал и перемещения всей системы на забой.
Одним из важных требований для проходческих систем является возможность изменять направление движения по трассе выработки. Две предшествующие схемы больше применимы для прямолинейных трасс. Поэтому нами была предложена секционная схема агрегата с кинематической взаимоувязкой и взаимопроворотом секций домкратами. А удержание двух концевых секций обеспечивается специальными анкерными устройствами (табл. 2.1, схема 3) [36].
Эта конструктивная схема исполнена нами в реальной машине и прошла полный цикл испытаний (см. гл. 6) [38,39].
Исполнительный орган винтоповоротного агрегата, получившего название ЭЛАНГ, вырезает полость, по размеру несколько большую диаметра оболочки ограждения. Благодаря этому снижается общее усилие перемещения агрегата. Однако возможны случаи, когда смещение пород в концевой части агрегата превысит зазор А между оболочкой и контуром выработки. Аналитически этот процесс описывается выражением [40]
Вариант конструкции ВПА, позволившей снизить эффект обжима концевых секций вследствие большого смещения пород на удалении от забоя, приведен в табл. 2.1, схема 4 [41]. Здесь секции выполнены коническими, меньшими основаниями в сторону выработанного пространства, причем размеры конусов выполнены в соответствии с требованием для А.
Одной из особенностей винтоповоротных агрегатов является совмещенное выполнение операций по разработке забоя, уборке горной массы, временному ограждению и перемещению всей системы на забой. В проходческом забое остается достаточно трудоемкая операция по возведению постоянной крепи. С целью механизации этой операции в варианте для бетонных тюбингов на основе схемы предложена схема 5 (табл. 2.1) [42].
Определение необходимых усилий перемещения секций и реакции окружающей породы на винтовую лопасть у трехсекционного агрегата (ЭЛАНГ-3)
Методы определения нагрузок от горного давления на различного типа конструкции, работающие в жесткопластических средах, основываются на расчетных схемах, предусматривающих режим заданной нагрузки. В зависимости от конкретных условий сооружения выработки такая нагрузка может формироваться от веса пород в объеме локальных вывалов, свода обрушения или веса всей толщи пород над сооружением (устройством).
Винтоповоротный агрегат, работая на различных глубинах, естественно, будет попадать в разнообразные горно-геологические условия, поэтому на стадии проектирования в расчетах необходимо принимать наиболее сложные условия, когда на корпус агрегата действует свод обрушения или весь столб пород над агрегатом при его горизонтальном расположении в пространстве и сползающий объем пород при его вертикальном расположении.
Для систематизации расчетных формул, применяемых в практике расчета крепей горных выработок на современном этапе и используемых для расчета нагрузок на подземный аппарат, работающий в жесткопластической среде, на основании литературных источников [40,44] составлена табл. 3.2.
В приведенных выражениях у- объемный вес пород, H/MJ; hc - высота свода обрушения, м; R - радиус подземного аппарата, м; f— коэффициент крепости пород, по проф. М.М.Протодьяконову; р - величина вяжещего угла радиус зоны нарушенных пород, м; гв - абсцисса точки пересечения линии скольжения с горизонтальной (земной) поверхностью среды, м; Z - расстояние от поверхности земли до точки, где определяется давление, м; 77 -коэффициент, определяемый из выражения Г] = 2tg р /(45 + р/2). Из приведенных выражений следует, что для жесткопластической модели среды характерна зависимость нагрузки, действующей на корпус подземного аппарата (крепи горных выработок), от механических пород и поперечных размеров самого аппарата. Влияние глубины при горизонтальном расположении агрегата в пространстве в общем случае несущественно. Давление на корпус практически не зависит от механических характеристик несущих элементов самого корпуса агрегата.
Анализ этих выражений показывает, что, имея узкую нацеленность на конкретно горизонтальное или вертикальное расположение агрегата (выработки), они не учитывают возможности другого пространственного расположения объекта и, кроме того, не отражают влияние забоя на величину сил горного давления. Представленные формулы являются только основой для определения силовых характеристик взаимодействия конструктивных элементов винто-поворотного проходческого агрегата с геосредой. К конструктивным элементам агрегата, активно взаимодействующим с внешней средой, относятся щитовой корпус секций агрегата, исполнительный модуль, винтовая лопасть, стрингеры.
Все известные конструктивные варианты ВПА ЭЛАНГ можно свести к нескольким расчетным схемам, которые приведены в табл. 3.3. На схемах приняты следующие обозначения: Р0 , RKO — проекция полной силы сопротивления пород резанию на ось вращения и на плоскость, перпендикулярную оси вращения; 7 - сила трения исполнительного органа (ИО) по вмещающей породе; Gr — вес головной секции с учетом смонтированных на ней ИО и погрузочного ротора; GrM — вес отбитой горной массы, размещенной в погрузочном роторе; Ргн, Рт , Рхн — нормальные составляющие нагрузок от горного давления соответственно на головной, промежуточной и хвостовой операциях; Тюь, Тпо5, Тхоб — суммарная сила трения оболочки секции по породе контура выработки; Ггнав, Т ч» Гхнав - сила трения винтовой лопасти головной, промежуточной и хвостовой секций о породу выработки; Рд — суммарное усилие, создаваемое домкратами механизма поворота головной секции агрегата; Рт - сила тяги, реализуемая домкратами надвига концевой секции; і?гнав, пнав, хнав, хстр - реакция пород контура выработки на винтовую лопасть соответствующей секции и стрингера хвостовой секции.
Влияние диаметра ВПА на величину необходимых усилий перемещения его секций и на величину реакции породы на винтовую лопасть
Для того чтобы проследить влияние диаметра щитового агрегата на величину сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и вмещающей породой, использованы выражения (3.59)-(3.61).
На рис. 4.3 показаны зависимости сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и вмещающей породой ГГОб, Т поб, Тхоб от радиуса агрегата. Следует отметить, что приведенные графики справедливы для случаев, когда проходка горных выработок будет осуществляться в неустойчивых вмещающих породах, то есть при полном развитии сил горного давления. При проведении горных выработок в устойчивых породах значения сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и породой, будут иметь меньшие значения. На рис. 4.4 показаны зависимости сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и вмещающей породой и приходящихся на 1 м периметра агрегата TV0 2itR, Tno 2nR, Тхоб/2лЯ от радиуса агрегата.
Следует отметить, что значительное увеличение значений сил трения, приходящихся на 1 м периметра агрегата, происходит до определенного значения радиуса (при конкретных продольных размерах секций), после чего увеличение диаметра агрегата практически не приводит к росту этих параметров (Тгоб/2лЯ, Тпо6/2яИ, Тхо6/2яК).
Для того чтобы проследить влияние продольного размера агрегата на величину сил трения, возникающих между оболочкой секций агрегата и окружающей породой, использовано выражение (3.59). Рассматривая агрегат как единую конструкцию, без разделения его (агрегата) на секции, получена зависимость суммарной силы трения, возникающей между оболочкой агрегата и окружающей породой, от продольного размера агрегата. На рис. 4.5 показана зависимость суммарной силы трения, возникающей между оболочкой агрегата и окружающей породой, от продольного размера агрегата, то есть от его длины.
Для того чтобы проследить влияние поперечного размера агрегата на величину необходимых усилий перемещения головной Ргд, промежуточной Рт и хвостовой Рхд секций агрегата, а также на величину реакции породы на винтовую лопасть, смонтированную на этих секциях (RmeiB, Япн&в, RXH&B), использованы выражения, приведенные в главе 3.
Зависимость реакции породы на винтовую лопасть головной секции от радиуса агрегата приведена на рис. 4.6,д, а на винтовые лопасти промежуточной и хвостовой секций показана на рис. 4.6,6. Отрицательные значения у Япнав и /?Хнав означают, что при данной конструктивной и компоновочной схеме агрегата для горнотехнических условий, приведенных в табл. 4.1, направление реакции вмещающей породы на винтовую лопасть промежуточной и хвостовой секций противоположно показанному на рис. 3.1. На рис. 4.7 показаны зависимости необходимых усилий перемещения секций агрегата от его радиуса. Увеличение значений необходимых усилий перемещения секций при R 1 м объясняется тем, что при принятой компоновочной схеме размещения силового оборудования, при малых диаметрах агрегата, гидродомкраты перемещения будут располагаться около оси вращения, не создавая тем самым значительного момента вращения. Для создания требуемого момента вращения секций агрегата необходимо в этом случае значительное увеличение усилия перемещения, создаваемое гидродомкратами перемещения, что и отражено на графиках. Это объяснение в полной мере относится и к зависимости необходимых усилий перемещения секций агрегата, приходящихся на 1 м периметра, от радиуса агрегата (рис. 4.8) при R 1 м.
При увеличении поперечного размера секций агрегата значения необходимых усилий перемещения, приходящихся на 1 м периметра агрегата, для головной секции растут, причем значительно, а для промежуточной и хвостовой секций наоборот уменьшаются.
При выборе конкретного типа силового оборудования, в частности гидродомкратов перемещения, для его монтажа на агрегате, можно воспользоваться графиками, приведенными на рис. 4.8. Зависимость отношения суммарного усилия, которое могут создать гидродомкраты перемещения, к периметру от радиуса агрегата для конкретного типа силового оборудования и для принятого давления рабочей жидкости в напорной магистрали, можно, с некоторым допущением, аппроксимировать прямой, параллельной оси абсцисс (рис.4.8). Тогда, например, для гидродомкратов перемещения, смонтированных на экспериментальном образце ВПА ЭЛАНГ-3, при давлении рабочей жидкости в напорной магистрали 16 МПа
