Совершенствование способа опирания стальных укосных копров

Оригинальная статья

УДК 622.673.2 © Е.Г. Кассихина, Н.О. Бутрим, 2020

Совершенствование способа опирания стальных укосных копров

DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-51-54

В статье рассмотрен новый подход к проектированию стальных укосных копров для вертикальных стволов угольных и рудных шахт на основе рациональных конструктивных решений. Надшахтные копры передают нагрузки от работы шкивов подъемной машины на устье ствола через подкопровую раму. Стойки станка копров всех известных систем устанавливаются на подкопровую раму замоноли-ченную в устье ствола ниже нулевой отметки. Конструкция подкопровой рамы, в силу своих размеров и расположения, ограничивает условия для проведения работ по проходке, реконструкции и углубке вертикального ствола. Предложенный авторами копер многофункционального назначения, включающий в себя станок круглого сечения, позволит отказаться от традиционного решения подкопровой рамы в виде балочной клетки в пользу новой стальной конструкции в виде закладного и опорного колец коробчатого сечения. Закладное кольцо монтируется на нулевой отметке во время строительства вертикального ствола в процессе возведения бетонной крепи устья. Опорное кольцо служит основанием для установки цилиндрического станка и устанавливается в любое время по мере необходимости. Преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. Расположение опорного кольца в менее агрессивной зоне по сравнению с традиционным вариантом опирания предотвращает преждевременное разрушение опорных элементов станка. Отсутствие элементов подкопровой рамы внутри устья вертикального ствола значительно упрощает монтаж станка и улучшает условия эксплуатации и проведения работ при реконструкции и углубке вертикального ствола.

Ключевые слова: стальные укосные копры, стальные укосные копры многофункционального назначения, бескаркасный станок круглого сечения, опирание станка на устье вертикального ствола, подкопровая рама, опорное кольцо, закладное кольцо.

Для цитирования: Кассихина Е.Г., Бутрим Н.О. Совершенствование способа опирания стальных укосных копров // Уголь. 2020. № 1. С. 51 -54. 001: 10.18796/0041 -57902020-1-51-54.

ВВЕДЕНИЕ

При вскрытии месторождения вертикальными стволами за обеспечение транспортной коммуникации между горными выработками и шахтной поверхностью отвечает технологическая система шахтной подъемной установки (ШПУ) [1, 2, 3]. В систему ШПУ входят такие подсисте-

КАССИХИНА Е.Г.

Канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт» Горного института КузГТУ им. Т.Ф. Горбачева, 650000, г. Кемерово, Россия, e-mail: kalena-07@mail.ru

БУТРИМ Н.О.

Горный инженер, директор по развитию ОАО «Техстрой», 650000, г. Кемерово, Россия

мы, как надшахтный копер 1, подъемная машина 2, шахтный ствол 3 (рис. 1).

Объемно-планировочные и конструктивные решения надшахтных копров весьма разнообразны, однако в практике строительства угольных и рудных шахт Кузбасса наиболее широко распространены конструктивные системы стальных укосных копров: четырехстоечные (см. рис. 1, а), А-образные (см. рис. 1, б) и шатровые (см. рис. 1, в) [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования, о котором пойдет речь - стальные укосные копры. Надшахтные копры 1 (см. рис. 1) передают нагрузки от работы шкивов подъемной машины 2 на устье ствола 3 через подкопровую раму 4. Стойки станка копров всех систем устанавливаются на подкопровую раму, замоноличенную в устье ствола ниже нулевой отметки на 1,8-2 м [1, 2, 3].

К основным недостаткам такого способа опирания копра следует отнести:

- конструктивное устройство подкопровой рамы в силу своих размеров и расположения ограничивает условия для проведения работ по проходке, реконструкции и углубке вертикального ствола;

3 - шахтный ствол; 4 - подкопровая рама

Fig. 1. Constructive solutions of steel mowing machines: 1 - overhead drill driver; 2 - pulleys of a lifting machine; 3 - mine shaft;

4 - underfloor frame

- для заделки подкопровои рамы в устье ствола приходится частично демонтировать крепь устья, что приводит к остановке работ в стволе;

- расположение подкопровоИ рамы ниже нулевой отметки значительно усложняет процесс монтажа как подкопровоИ рамы, так и станка копра;

Рис. 2. Конструктивное решение копра многофункционального назначения: 1 - опорное кольцо станка; 2 - цилиндрический станок круглого сечения Fig. 2. The structural solution copra multifunction: 1 - the support ring of the machine; 2 - cylindrical circular machine

- расположение подкопровои рамы в зоне повышенной влажности (ниже нулевой отметки) ускоряет развитие коррозии ее элементов и опорных элементов станка и, как следствие, ведет к снижению срока эксплуатации.

ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ

Совершенствование узла опирания станка с целью снижения трудоемкости, повышения производительности работ и сокращения перерывов в работе при установке копра на подкопровую раму.

Для решения этой задачи на кафедре «Строительство подземных сооружений и шахт» КузГТУ было разработано конструктивное решение стального копра многофункционального назначения, в котором цилиндрический станок круглого сечения (рис. 2) отделен от подшкивного устройства и не передает нагрузки от работы шкивов на устье ствола. Станок передает только нагрузки от проводников для подъемных сосудов, что существенно упрощает узел опирания на устье [11, 12, 13].

Предлагаемый новый способ (рис. 3) опирания круглого станка 1 на устье 5 вертикального ствола осуществляется через подкопровую раму, состоящую из двух стальных кольцевых конструкций коробчатого сечения - закладного кольца 1 и опорного кольца 2. Закладное кольцо с ребрами жесткости 3 монтируется при помощи болтов 4 на нулевой отметке во время строительства вертикального ствола в процессе возведения бетонной крепи устья 5. Опорное кольцо служит основанием для установки цилиндрического станка 1 и устанавливается в любое время по мере необходимости.

Преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем:

- отсутствие элементов подкопровой рамы внутри устья вертикального ствола значительно упрощает трудоемкие процессы при монтаже станка и значительно сокращает перерывы в работе;

- опорное кольцо опирается сверху на устье вертикального ствола, что значительно снижает действующие на бетонную крепь нагрузки и предотвращает преждевременное ее разрушение;

Рис. 3. Опорный узел станка копра многофункционального назначения: 1 - закладное кольцо; 2 - опорное кольцо станка;

3 - ребра жесткости; 4 - болты закладного кольца; 5 - устье ствола; 6 - станок копра

Fig. 3. The reference node of the machine copra multifunction: 1 - embedded ring; 2 - support ring of the machine;

3 - stiffeners; 4 - bolts of the embedded ring; 5 - the mouth of the trunk; 6 - copra machine

- опорное и закладное кольца являются тонкостенными стержнями закрытого профиля, а значит, имеют большую жесткость при кручении и отсутствие бимомента, в отличие от двутавровых элементов традиционной под-копровой рамы, которые относят к стержням открытого профиля;

- свободное пространство внутри замкнутых коробчатых сечений опорного и закладного колец позволяет заполнить их бетоном, тем самым увеличивая их местную устойчивость и сопротивление деформированию при ударных воздействиях;

- опорное кольцо расположено выше нулевой отметки в менее агрессивной зоне по сравнению с традиционным вариантом опирания (см. рис. 2), что снижает скорость коррозии опорных элементов цилиндрического станка копра;

- опорное кольцо доступно для осмотра и снижает возможность скопления угольной пыли, шлака и машинного масла в узлах примыкания;

- опорное кольцо в силу своих конструктивных особенностей и расположения не ограничивает условия эксплуатации и проведения работ по реконструкции и углубке вертикального ствола.

ВЫВОДЫ

Предложенный подход к проектированию стальных укосных копров для вертикальных стволов угольных и рудных шахт на основе рациональных конструктивных решений позволит отказаться от традиционного решения подкопровой рамы в виде балочной клетки в пользу новой стальной конструкции в виде закладного и опорного колец коробчатого сечения.

Преимущества предлагаемого технического решения заключаются в следующем. Расположение опорного кольца в менее агрессивной зоне по сравнению с традиционным вариантом опирания предотвращает преждевременное

разрушение опорных элементов станка. Отсутствие элементов подкопровой рамы внутри устья вертикального ствола значительно упрощает монтаж станка и улучшает условия эксплуатации и проведения работ при реконструкции и углубке вертикального ствола. Таким образом, получен новый способ опирания станка копра с передачей нагрузки на устье вертикального ствола через усовершенствованную конструкцию подкопровой рамы. Появились новые возможности для формирования параметров копров новой системы. А значит, появились и новые варианты конструктивных решений стальных копров многофункционального назначения.

Список литературы

1. Максимов А.П. Горнотехнические здания и сооружения. М.: Недра, 1984. 263 с.

2. Бровман Я.В. Надшахтные копры. М.: Госгортехиздат, 1961. 235. с.

3. Баклашов И.В., Антонов Г.П., Борисов В.Н. Проектирование зданий и сооружений горных предприятий. М.: Недра, 1979. 365 с.

4. Русских А.Г. Практические аспекты обследования надшахтных копров // Международный научно-исследовательский журнал. 2016. № 9 (51). Ч. 4. С. 17-20.

5. Rojas-Sola J.I., Montalvo-Gil J.M., Castro-Garda M. 3D modeling and functional analysis of a headframe for mineral extraction // Dyna-Colombia. 2013. Vol. 80. N 181. Р. 118-125.

6. Rojas-Sola J.I., Palomares-Munoz I. 3D modelling and static analysis of a spanish articulated metal headframe for mineral extraction // Dyna-Colombia. 2015. Vol. 90. N 6. Р. 602-607.

7. Rojas-Sola J.I. Evolución histórica y caracterización tipológica-funcional del patrimonio histórico industrial minero español ligado a diferentes procesos del laboreo de minas // De Re Metallica. 2015. Vol. 24. Р. 1-17.

8. Wei F., Wang I.F.R., Wei F. 3D Parametric design for steel headframe of coal mine based on Solidworks // Key Engineering Materials. 2010. Vol. 455. Is. 1. P. 340-344.

9. Analysis of the mode of deformation of the subpulley structures on shaft sloping headgear structures / V.N. Kush-chenko, A.Ye. Nechytailo, Ye.V. Horokhov, J. Hildebrand / 19th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering Weimar, Germany / K. Gurlebeck, T. Lahmer and F. Werner (Editors). Weimar, 2012. P. 1-16.

10. Ross Ian. Goldcorp's Cochenour gold project // Northern Ontario business. 2013. Vol. 33. Is. 12. P. 14-15.

11. Selection of a rational form for the steel winding tower as a preventive measure to increase its industrial safety / E.G. Kassikhina, Weiguo Qiao, V.V. Pershin, N.O. Butrim / Tais-han Academic Forum - Project on Mine Disaster Prevention and Control. China: Atlantis Press. 2014. Р. 1-4.

12. Кассихина Е.Г., Першин В.В., Бутрим Н.О. Новая конструктивная форма надшахтного копра многофункционального назначения // Уголь. 2012. № 7. С. 32-35. URL: http://www. ugolinfo.ru/Free/072012.pdf (дата обращения: 15.12.2019).

13. Кассихина Е.Г. Новая конструктивная форма надшахтного копра многофункционального назначения // Горный журнал. 2017. № 8. С. 56-60. DOI: 10.17580/gzh.2017.08.10.

MINE CONSTRUCTION

Original Paper

UDC 622.673.2 © E.G. Kassikhina, N.O. Butrim, 2020

ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, №1, pp. 51-54 DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2020-1-51-54

Title

enhancement of the support method for steel angle headframes

Authors

Kassikhina E.G.', Butrim N.O.2

1 Gorbachev Kuzbass State Technical University (KuzSTU), Kemerovo, 650000, Russian Federation

2 "Tekhstroy" JSC, Kemerovo, 650000, Russian Federation

Authors' Information

Kassikhina E.G., PhD (Engineering), Associate Professor of "Underground facilities and mines construction" Department of Mining Institute, e-mail: kalena-07@mail.ru

Butrim N.O., Mining Engineer, Director on Development Abstract

The paper reviews a new approach to the design of steel angle headframe for vertical shafts of coal and ore mines on the basis of rational design solutions. The mine headframes transmit loads from the lifting machine pulleys on the shaft mouth via the base frame. The rig posts of all known systems are mounted on еру base frame cemented into the shaft mouth below zero level. The base frame design limits conditions for shaft work, reconstruction and vertical shaft extension due to its dimension and location. The proposed by the authors multifunctional headframe with circular cross-section rig would allow to give up the traditional solution for the base frame in a form of a beam grid in favor to the new steel structure in a form of a ring insert and curb of the box-section. The ring insert is mounted at zero point during construction of the vertical shaft and construction of the concrete mouth shaft. The curb serves as a base for installation of the cylindrical rig and could be installed at any time as required. The advantages of the proposed technical solution are as follows: the location of the curb is in a less aggressive area versus to the traditional support option that prevents premature deterioration of the rig supporting elements. The absence of the base frame elements inside vertical shaft mouth greatly simplifies rigging up operations and improves operating conditions and work at reconstruction and shaft extension.

Keywords

Steel angle headframe, Multifunctional steel angle headframe, Cross-section frameless rig, Support of the rig on vertical shaft mouth, Base frame, Curb, Ring insert.

References

1. Maksimov A.P. Gornotexnicheskiezdaniya isooruzheniya. [Mining buildings and constructions]. Moscow, Nedra Publ., 1984, 263 p. (In Russ.).

2. Brovman Ya.V. Nadshaxtnye kopry. [Nadshakhtny copras]. Moscow, Gos-gortexizdat Publ., 1961, 235 p. (In Russ.).

3. Baklashov I.V., Antonov G.P. & Borisov V.N. Proektirovanie zdaniy i sooruzheniy gornyh predpriyatiy [Design of buildings and constructions of the mountain enterprises]. Moscow, Nedra Publ., 1979, 365 p. (In Russ.).

4. Russkikh A.G. Prakticheskie aspekty obsledovaniya nadshahtnyh koprov [Practical aspects of investigation of head pile drivers]. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatelskiy zhurnal - International Research Journal, 2016, No. 9 (51), pp. 17-20. (In Russ.).

5. Rojas-Sola J.I., Montalvo-Gil J.M. & Castro-Garcia M. 3D modeling and functional analysis of a headframe for mineral extraction. Dyna-Colombia, 2013, Vol. 80, No. 181, pp. 118-125.

6. Rojas-Sola J.I. & Palomares-Munoz I. 3D modelling and static analysis of a spanish articulated metal headframe for mineral extraction. Dyna-Colombia, 2015, Vol. 90, No. 6, pp. 602-607.

7. Rojas-Sola J.I. Evolución histórica y caracterización tipológica-funcional del patrimonio histórico industrial minero español ligado a diferentes procesos del laboreo de minas. De Re Metallica, 2015, Vol. 24, pp. 1-17.

8. Wei F. & Wang I.F.R. 3D Parametric design for steel headframe of coal mine based on Solidworks. Key Engineering Materials, 2010, Vol. 455, Is. 1, pp. 340344.

9. Kushchenko V.N., Nechytailo A.Ye., Horokhov Ye.V. & Hildebrand J. Analysis of the mode of deformation of the subpulley structures on shaft sloping headgear structures. 19th International Conference on the Applications of Computer Science and Mathematics in Architecture and Civil Engineering Weimar, Germany. K. Gurlebeck, T. Lahmer & F. Werner (Editors). Weimar, 2012, pp. 1-16.

10. Ross Ian. Goldcorp's Cochenour gold project. Northern Ontario business, 2013, Vol. 33, Issue 12, pp. 14-15.

11. Kassikhina E.G., Qiao W., Pershin V.V. & Butrim N.O. Selection of a rational form for the steel winding tower as a preventive measure to increase its industrial safety. Taishan Academic Forum - Project on Mine Disaster Prevention and Control, October 17-20, 2014. Qingdao, China, Atlantis Press, 2014, pp. 1 -4.

12. Kassihina E.G., Pershin V.V. & Butrim N.O. Novaya konstruktivnaya forma nadshahtnogo kopra mnogofunkcional'nogo naznacheniya [Peculiarities of the installation of a multifunctional stay leg]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2012, No. 7, pp. 32-35. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/072012.pdf (accessed 15.12.2019). (In Russ.).

13. Kassihina E.G. Novaya konstruktivnaya forma nadshahtnogo kopra mnogofunkcional'nogo naznacheniya [New multifunctional headframe design]. GornyiZhurnal - Mining Journal, 2017, No. 8, pp. 56-60. (In Russ.). DOI: 10.17580/gzh.2017.08.10.

For citation

Kassikhina E.G. & Butrim N.O. Enhancement of the support method for steel angle headframes. Ugol' - Russian Coal Journal, 2020, No. 1, pp. 51-54. (In Russ.). DOI: 10.18796/0041-5790-2020-1-51-54.

Paper info

Received February 4,2019 Reviewed July 10,2019 Accepted November 6,2019