Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшими элементами инфраструктуры и системы жизнеобеспечения многих российских городов являются коммуникационные тоннели и тоннели метрополитенов. За последние десятилетия темпы строительства метрополитенов в крупных городах России значительно снизились. Практически прекратились работы по внедрению новых конструктивно-технологических решений, обещавших значительное снижение трудозатрат и стоимости строительства метрополитенов. Вместе с тем сохранение в новых условиях хозяйствования метростроительных организаций, и их оснащенность, позволяют считать, что общий потенциал отечественного метростроения остается еще на достаточно высоком уровне. Его поддержание и развитие является актуальной задачей.
Одним из основных направлений, способствующих интенсификации работ по сооружению перегонных тоннелей метрополитенов, является применение механизированных комплексов, что дает возможность резко увеличить темпы строительства и, примерно вдвое, снизить трудозатраты.
В связи с этим по-прежнему актуальным является не только создание новых механизированных комплексов оборудования, но и модернизация существующих частично механизированных щитовых комплексов, таких как ЩН-1С, Щ-21 и др. с ручной разработкой забоя. В Российской Федерации их насчитывается более 30 штук. Проходческие щиты ЩН-1С используются для сооружения перегонных тоннелей Красноярского метрополитена. Достигнутые средние скорости проходки составляют 24-26 м/мес. при низкой производительности и высоком уровне ручного труда и травматизма. В связи с этим возникла необходимость создания установки для механизированного разрушения забоя в составе щита ЩН-1С и совершенствование технологии сооружения перегонных тоннелей модернизированным щитом.
Инициатором работы выступило ООО «Красноярскметрострой». В проекте участвовали ОАО «Кузниишахтострой» и Сибирский центр горного машиностроения.
Цель работы: обоснование параметров и разработка установки для проведения перегонных тоннелей метрополитенов, обеспечивающей повышение эффективности горнопроходческих работ.
Идея работы заключается в создании установки с исполнительным органом избирательного действия, обеспечивающей разрушение вмещающих пород по всей площади проходческого забоя за счет радиального и окружного перемещения режущей коронки.
Задачи исследований:
разработать конструкцию установки с исполнительным органом избирательного действия для механизированного разрушения пород забоя с учетом конструкции щита ЩН-1С;
обосновать способ разрушения пород забоя исполнительным органом избирательного действия в составе проходческого щита ЩН-1С; установить основные закономерности процесса разрушения горных пород на стенде и в подготовительном забое; на их основе определить основные параметры рабочего органа и разработать технологию ведения горных работ при сооружении перегонного тоннеля метрополитена;
построить математическую модель динамических процессов разрушения массива под воздействием конической головки и концентрического ее перемещения по площади забоя; изучить на математической модели основные закономерности работы исполнительного органа и проверить в практических условиях работоспособность его опытного образца;
разработать рекомендации по совершенствованию конструкции установки для механического разрушения забоя.
Методы исследований:
анализ и обобщение опыта создания проходческих установок для строительства метрополитенов;
методы теории вероятностей, математической статистики, аналитического и имитационного моделирования многосвязных систем, статистической динамики горных машин;
экспериментальный метод с использованием в обработке элементов теории случайных функций.
Научные положения, выносимые на защиту:
разрушение пород забоя по всей площади поперечного сечения тоннеля достигается путем совмещения радиального и концентрического перемещения корончатого исполнительного органа относительно оси выработки;
принципиально новые конструкция установки, схема обработки забоя и разработанная технология проведения тоннеля позволяют увеличить темпы проходки в 2,5 раза;
максимальная производительность установки достигается при использовании резцов с рабочим вылетом 65 мм при разрушении вмещающих пород с абразивностью до 10 мг. с учетом применения породопогрузочной машины непрерывного действия с нагребающими лапами;
разработанная рациональная схема разрушения пород забоя, с применением математической модели установки, позволяет снизить динамические нагрузки в приводе исполнительного органа на 30%.
Научная новизна работы:
разработаны статическая и динамическая модели режимов нагружения исполнительного органа установки; определены рациональные режимы работы исполнительного органа; определена модель рациональной схемы нагружения коронки исполнительного органа за один ее оборот;
получены зависимости составляющих усилия разрушения от основных режимных и геометрических параметров инструмента;
определена зависимость производительности установки от абразивности породы и типа режущего инструмента;
установлены расчетные зависимости, учитывающие влияние на нагруженность исполнительного органа конкретных условий эксплуатации (толщина стружки, скорость и углы перемещения корончатого исполнительного органа по забою и др.)
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием апробированных математических методов;
корректной постановкой задач по исследованию взаимодействия исполнительного органа установки с разрушаемым горным массивом;
сходимостью результатов теоретических исследований с данными, полученными в ходе опытно-промышленной эксплуатации установки в составе проходческого щита.
Личный вклад автора заключается:
в обосновании принципа разрушения вмещающих пород по всему сечению радиальными и концентрическими составляющими перемещения исполнительного органа избирательного действия проходческого щита;
в изучении основных закономерностей формирования нагрузки на элементы проходческого щита и исполнительного органа в процессе разрушения вмещающих пород забоя;
в построении динамической модели взаимодействия рабочего органа установки с разрушаемой средой, пригодной для исследования компоновочных схем установки;
в участии в заводских испытаниях и промышленном опробовании установки, обобщении результатов экспериментальных исследований и разработке рекомендаций по совершенствованию конструкции установки для механического разрушения пород забоя щитом ЩН-1С.
Практическая ценность работы состоит в том, что её результаты позволяют:
расширить область применения модернизированного щита, создать новую технологию его использования;
разрушать вмещающие породы строго по контуру выработки кольцевой формы, обеспечивая высокую точность движения щита;
рассчитывать параметры конструкции и технологию работы установки применительно к конкретным горно-геологическим и горно-техническим условиям эксплуатации проходческого щита.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Результаты исследований были использованы ОАО «Кузниишахтострой» и ООО «Сибирский центр горного машиностроения» при проектировании и изготовлении опытного образца установки для механизированного разрушения пород забоя при проходке перегонного тоннеля Красноярского метрополитена, а также при корректировке рабочей документации на опытную партию установок.
Апробация работы.
Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались на Международной научно-практической конференции «Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов» (г. Новокузнецк, 2005 г.); Юбилейной 50-й научно-практической конференции студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России – новые подходы к развитию угольной промышленности», проходившей в рамках Международной выставки–ярмарки «Экспо-Уголь» (г. Кемерово, 2005 – 2006 гг.); Российско-Китайском симпозиуме (г. Кемерово, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 117 наименований и приложений. Основной текст изложен на 133 машинописных страницах и содержит 54 рисунка, 6 таблиц.
