Проблемы создания нового инструментария для формирования подземного пространства

А

© В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков, 2010

УДК 622.002.5

В.В. Аксенов, А.Б. Ефременков

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ НОВОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА

Предложен новый подход к освоению подземного пространства с использованием геовинчестерной технологии и геохода. А также приведено обоснование необходимости создания нового научного направления - геодинамика подземных аппаратов.

Ключевые слова: геовинчестерная технология, геоход, геосреда, проходческая техника, геодинамика подземных аппаратов.

Ту ешение задач по формированию подземного пространства и освоению недр Земли, а в будущем и других планет, принято считать особо важными для жизнедеятельности человечества.

По прогнозам мирового научно-технического развития приоритетных технологий на 2000-2020 гг. по группе «Использование подземного пространства» особо важными определяются научнотехнологические разработки, связанные с созданием новых технологий сооружения сети подземных грузопотоков, строительства автотрасс и железных дорог на значительной глубине.

На сегодняшний день большие транспортные проблемы возникают в городах, население которых не достигает и полумиллиона человек. В развитых странах к строительству метро приступают, когда число жителей достигает 150-200 тыс. человек. В России имеется более 200 городов с населением более 100 тысяч человек (рис. 1). Кроме того, в городах остро стоят проблемы строительства коллекторов, подземных переходов, резервуаров, парковок автотранспорта, прокладки трубопроводов.

В настоящее время строительство полноценного метрополитена - это очень затратный и дорогостоящий процесс. Основные затраты при этом приходятся на формирование подземного пространства проходческими системами.

Приоритетным направлением развития науки и техники, утвержденным Правительственной комиссией РФ по научно-

К ОШ Г1 еств о гор ОД ОБ. шт

то -60 -50403020 -100 -

Рис. 1. Количество городов России с населением более 100 тыс. чел.

технической политике в области «Топливо и энергетика», является разработка новых технологий проходки горных выработок.

При ликвидация последствий техногенных катастроф и аварий (Чернобыль, завалы в шахтах и др.) также возникает необходимость проведения подземных выработок в кратчайшие сроки.

Освоение подземного пространства имеет и большое оборонное значение, особенно в современных условиях развития России.

Сооружение капитальных подземных выработок горнодобывающих предприятий, городских коллекторных магистралей и перегонных тоннелей метро - трудоемкий и дорогостоящий процесс. Наиболее остро стоят задачи повышения скорости проходки, производительности труда и безопасности, снижения стоимости работ.

Современное горнопроходческое оборудование, включая и зарубежное, сориентировано в основном на решение проблем добычи

>

300-

400

500-

600

700-

800

900-

100

Количество населения, тыс. четт.

полезных ископаемых. Оно не предназначено и не решает задачи освоения (формирования) подземного пространства не только в городских, но и полевых условиях. Кроме того, выпускаемое заводами России горнопроходческое оборудование не конкурентоспособно.

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]. Но 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.

Дальнейшее развитие работ в области геотехнологий и геотехники может идти по двум направлениям:

1) Модернизация существующего горношахтного оборудования и его совершенствование путем создания систем нового технического уровня;

2) Поиск и создание принципиально нового, альтернативного инструментария (технологий и геотехники) для освоения недр и формирования подземного пространства.

В поисках путей совершенствования геотехнологий проведения горных выработок нами 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.

Традиционно в подземных условиях для перемещения проходческого аппарата используются внешние движители: гусеничные, колесные, колесно-рельсовые или распорно-шагаю-щие. Они (движители) хорошо показавшие себя при работе на земной поверхности (на контакте твердой и воздушной сред), не приспособлены для движения в геосреде.

Из этого обстоятельства вытекают основные проблемы современных технологий проведения горных выработок:

• Невозможность движения проходческих аппаратов в любом направлении подземного пространства.

• 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 80т. Кроме того, продолжают остро стоять вопросы безопасности ведения работ в призабойной зоне.

В процессе работы проходческого комбайна или щита, для создания силы тяги и напорного усилия на исполнительном органе никоим образом не задействована сама внешняя геосреда, а только твердая поверхность выработки на контакте гео и воздушной сред, или при щитовом способе проходки - мощная постоянная крепь.

Идея работы основана на предложении, - рассматривать проходку горных выработок изначально как процесс движения твердого тела (оборудования) в среде вмещающих пород.

Приконтурный массив (геосреда) при этом используется:

• как опорный элемент, участвующий в создании движущей силы подземного аппарата - геохода;

• для формирования напорного усилия на исполнительном органе;

• для восприятия реактивных усилий при движении проходческого агрегата (подземного аппарата);

• для выполнения основных технологических операций, включая и крепление выработки постоянной крепью.

Основными научно-техническими проблемами, стоящими на пути создания альтернативного инструментария (ГВТ и геоходов) для освоения недр и формирования подземного пространства являются необходимость:

1) Разработки элементов ГВТ, включая создание принципиально новых конструкции крепи горных выработок и обделок подземных сооружений для различных горнотехнических условий, а также методов их расчета.

2) Проработки большого количества компоновочных и конструктивных решений по всем системам и элементам геохода для различных типоразмеров и горнотехнических условий.

3) Разработки методик расчета силовых и конструктивных параметров геоходов и их систем.

Решение проблем невозможно без проведения большого комплекса специализированных научных исследований, причем не разового характера, в направлениях, представленных на рис. 2.

Геоходостроение. Геоход - аппарат, движущийся в подземном пространстве с использованием геосреды (рис. 3, 4). Представляя собой новый класс горных машин [3, 4] (рис. 5), геоходы предназначены для проходки подземных выработок различного назначения и расположения в пространстве, аналогов конструкции в мировой практике нет.

Основные отличия геоходов.

• Принцип работы.

• Наличие новых функционально-конструктивных эле-

ментов.

• Возможность реализации на исполнительном органе любых напорных усилий (возможность создания ИО для разрушения крепких пород).

• Качественно новые функциональные возможности.

Основными элементами и системами геохода являются:

- Корпус (носитель) геохода.

- Исполнительный орган (ИО) разрушения забоя.

- Внешний движитель,

ИО внешнего движителя.

- Диафрагма ИО.

- Крыло. ИО крыла.

- Погрузочная система.

- Транспортная система.

- Крепевозводящий модуль.

- Энергосиловая установка.

- Трансмиссия.

- Система управления по трассе.

- Гидравлическая система.

- Электрическая система.

- Система управления геохода.

- Стартовое устройство.

- Вспомогательные системы.

Инновационный инструментарий для формирования подъемного пространства

1 1 1 1 1

Геоходо- строенпе ГВТ (геовинчестерная технология) Крепление ГПА (геодинамика Подземных аппаратов) Испытание новой техники Обучение

Рис. 2. Направления деятельности по созданию инновационного инструментария для формирования подземного пространства и освоения недр

Plie. 3. Экспериментальный образец геохода ЭЛАНГ-3 диаметром 3 м

Рис. 4. Экспериментальный образец геохода ЭЛАНГ-4 диаметром 4 м

Многие системы не имеет аналогов в горном машиностроении, обладают основополагающими отличиями по назначению и принципу работы от всех существующих систем горнопроходческих комбайнов и проходческих щитов.

Своеобразный характер взаимодействия геохода с геосредой, наличие принципиально новых функционально конструктивных элементов, большой спектр возможных компоновочных и конструктивных решений, необходимость согласования работы всех систем геохода, а также отсутствие методов и методик расчета его силовых и конструктивных параметров, определяют необходимость проведения комплекса:

• Научно-исследовательских работ.

• Проектно-конструкторских работ.

• Работ по изготовлению экспериментальных и опытных образцов геоходов.

• Работ по проведению испытаний.

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.

На рис. 6 представлена структура ГВТ, ее основные элементы, их назначение и выполняемые технологические функции. Базовым элементом ГВТ является геоход

Область применения ГВТ (рис. 7):

• 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.

• Возведение полевых фортификационных сооружений.

ГЕОВИНЧЕСТЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ВЫРАБОТОК

формирование подземного пространства проведение горных выработок различного типоразмера и пространственного расположения

ГеохоЗ

Г еосреда

f=0.5... п

Разрушение забоя

Формирование каналов за контуром выработки

Погрузка породы

Защита призабойной зоны от геосреды

Перемещение аппарата на забой

Создание усилия на ИО

Согласование

параметров

систем

геохода

Создание

усилия

тяги

Удержание в пространстве

Обеспечение

продольной

устойчивости

Формирование ребер жесткости ^за контуром выработки

Обеспечение жесткости и устойчивости

Крепь

Рамная крепь

Монолитная

бетонная

Сборная

железо-бетонная

Новые конструкции

Рис. 6. Структура геовинчестерной технологии проведения горных выработок

Рис. 7. Геовинчестерная технология - технологии формирования полости в подземном пространстве

Отличительные потребительские свойства.

• Совмещенное выполнение операций при проходке горных выработок и возведению подземных сооружений.

• Снижение в 6 и более раз металлоемкости оборудования проходческой системы.

• Повышенная безопасность ведения проходческих работ при полной защите призабойной зоны от вывалов породы.

• Повышение в 4 и более раз темпов проходки, производительности труда.

• Снижение трудоемкости и стоимости ведения горнопроходческих работ.

• Возможность проведения выработок с любым расположением в пространстве.

Крепление. В процессе работы геоходов за контуром проводимой выработки образуются системы каналов (рис. 8), определенным образом сориентированных относительно оси выработки.

Наличие винтовых каналов закладывает потенциальную возможность размещения в них несущих элементов крепи, увеличивая полезную площадь сечения проводимой выработки и снижая ее аэродинамическое сопротивление, возможность создания и применения новых облегченных видов крепей.

При установке несущих элементов рамной крепи в винтовые каналы 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 металлоемких коробчатых профилей проката (спецпрофилей) и перейти на легкие конструкции плоской формы. Расчеты показывают, что выигрыш по материалам составит около 30 % на одну раму.

Заполнение разгрузочных щелей различными быстротвердею-щими растворами создает пространственную конструкцию крепи, ребра жесткости которой располагаясь за контуром выработки, обеспечивают 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.

Использование разгрузочных щелей значительно расширяет область применения рамных крепей, так как появляется

Рис. 8. Общий вид горной выработки после прохождения геохода: 1 - контур выработки; 2 - винтовые каналы; 3 - продольные каналы

возможность ее установки в крутонаклонных и вертикальных выработках, где до настоящего времени они практически не используются.

Крепь ГВТ занимает особое место среди крепей горных выработок и обделок подземных сооружений (рис. 9).

Своеобразный характер взаимодействия крепи с геосредой, наличие принципиально новых функционально конструктивных элементов, большой спектр возможных компоновочных и конструктивных решений, а также отсутствие методов и методик расчета ее силовых и конструктивных параметров, определяют необходимость проведения комплекса:

• Научно-исследовательских работ.

• Проектно-конструкторских работ.

• Работ по изготовлению экспериментальных и опытных образцов крепи.

• Работ по проведению испытаний.

Геодинамика подземных аппаратов.

Решение задач проектирования нового вида горнопроходческой техники - геоходов требует создания и нового научного направления в механике горных пород (геомеханика) - геодинамики подземных аппаратов.

Для разработки методик расчета силовых и конструктивных параметров геоходов необходимо проведение большого объема ис-

следований по изучению сил, возникающих на поверхности геохода и его элементов при движении в геосреде.

Изолирующие

Ограждающие

Подпорные

Армирующие

Упрочняющие

Взаимодействие с массивом

С пассивным подпором

С активным подпором

Объемно-

напрягающие

Аварийно-  | спасательные

и_____________I

Специальные ^ ____________і

Консолиди-

рующие

Принцип

работы

Имеющие конструктивную податливость

Не имеющие конструктивной податливости

Шарнирные

Режим

работы

Характер

нагруже-

ния

Взаимо-

влияющая

деформация

Заданная

нагрузка

Расположение конструктивных элементов

Динамическая

Внутри выработки

Интегрированные в массив

.і.

о о & я « Я

__1-і

Вид

контура

Срок

службы

Ш

Тип применяемых материалов

Дерево

Составы на основе минеральных заполнителей

Составы химические

Сыпучие материалы

Тип несущих элементов конструкции

I Тюбинговые

Анкерные

Каркасные

Оболочки

Рис. 9. Место крепей ГВТ среди горных выработок

горные породы

аморфные

рыхлые

сцементированные

<=£>

і

мелкокристаллические С=ї>

среднекристаппические і=|> крупнокристаллические <=о

глина

I

аргиллит

кристаллические

сланцы

I

гнейс

1

гранит

песок

I

песчаник

кварцит

Рис. 10. Разрез видимой части литосферы

в

базал ьт

обломки раковин известняк

мрамор

гранит

амфибол ит

V

Задачами, связанных с определением сил, возникающих на поверхности движущегося в воздушной и жидкой среде твердого тела, занимаются такие науки, как аэродинамика летательных и гидродинамика подводных аппаратов. Но, в отличие от воздуха и воды, геосреда (рис. 10) по диапазону изменения физико-механических свойств гораздо более многообразна и многогранна в своих проявлениях. Поэтому для решения подобного типа задач применительно к освоению подземного пространства назрела необходимость создания нового научного направления - геодинамика подземных аппаратов.

Основной задачей геодинамики подземных аппаратов должно стать изучение сил, возникающих на поверхности твердого тела, движущегося в твердой среде. У геохода (рис. 11) не менее восьми элементов (корпус геохода, внешний движитель, исполнительный орган разрушения забоя, диафрагма, ИО внешнего движителя, крыло, ИО крыла, система управления по трассе) активно взаимодействуют с геосредой.

Испытание новой техники.

В настоящее время испытания горной техники проводятся в два этапа:

- наземные испытания;

- промышленные испытания.

Но такой подход приемлем только при внедрении модернизированных образцов горношахтного оборудования.

Отсутствие в горной промышленности специализированного центра подземных испытаний, а также самой профессии - горный испытатель не просто сдерживает создание и внедрение новой конкурентоспособной техники, а делает этот процесс невозможным.

Испытанием новой техники, например, в самолетостроении занимаются специализированные центры и институты, существуют элитные профессии - летчик-испытатель, инженер-испытатель и др. Именно такой подход позволяет, не только успешно доводить новую технику до серийного производства, но и безболезненно внедрять ее.

Полномасштабные (наземные и подземные испытания), осуществленные квалифицированными горными испытателями и инженерами позволят:

Рис. 11. Конструктивная схема и общий вид геохода

Разработчику:

• Проверить эффективность заложенных компоновочных и конструктивных решений.

• Получить информацию для принятия решений по модернизации и совершенствованию оборудования или созданию принципиально новых образцов ГШО.

Изготовителю:

• Оценить качество изготовления оборудования.

• Выявить преимущества и недостатки.

Разработать мероприятия, направленные на устранение выявленных недостатков, совершенствование конструкции, повышение безопасности и производительности.

• Качественно и количественно проверить и оценить по единым методикам технические параметры.

• Оценить безопасность и эффективность взаимоувязки

машин, входящих в состав очистных или проходческих комплек-

сов.

Потребителю ГШО:

• Снизить финансовые риски, связанные с вероятными экономическими потерями от приобретения и использования некачественного ГШО.

• Получить рекомендации по рациональному использованию ГШО.

Цель создания Центра подземных испытаний горной техники.

Формирование базы для ускорения процесса разработки, изготовления, испытания и реализации (продажи) в регионе и России в целом новых образцов горношахтного оборудования, доведения их до промышленного применения и эффективной, безопасной эксплуатации.

Задачи Центра:

• Разработка методик проведения предварительных (наземных) испытаний горной техники и оборудования, их элементов и систем.

• Организация, подготовка и проведение предварительных (наземных) испытаний;

• Разработка методик проведения производственных (подземных) испытаний горной техники и оборудования, их элементов и систем.

• Организация, подготовка и проведение полномасштабных производственных (подземных) испытаний.

• Разработка единообразных методик анализа и обработки данных испытаний.

• Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкций горной техники и оборудования, их элементов и систем.

• Определение ТТХ (технико-технологических характеристик) горной техники и оборудования по единым методикам.

• Разработка инструкций и рекомендаций по использования испытанного оборудования.

• Сертификация горной техники и оборудования.

• Подготовка и переподготовка специалистов для работы с новой техникой и оборудованием.

• Оказание содействия при внедрении новой техники на предприятиях.

• Формирование рейтингов машин, оборудования, производителей и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г /Ю.Н. Динник, И.С Крашкин, В.Г. Мерзляков // Горное оборудование и электромеханика , 2006, №2, с. 2-12.

2. Концепция развития очистного, проходческого, конвейерного и бурового оборудования на период до 2020 г /Ю.Н. Динник, И.С Крашкин, В.Г. Мерзляков // Горное оборудование и электромеханика , 2006, №3 с. 2-6.

3. Винтоповоротные проходческие агрегаты / А.Ф. Эллер, В.Ф. Горбунов, В.В. Аксенов. - 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. Н5ыз

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------

Аксенов В.В. - д-р техн. наук, в.н.с, Институт угля и углехимии СО РАН, г. Кемерово, профессор, заместитель директора.

Ефременков А.Б. - канд.техн.наук, доцент, директор,

Юргинский технологический институт ТПУ, г. Юрга, аЬе73 @гатЫег.ги